EP2174355A1 - Avalanche-photodiode - Google Patents

Avalanche-photodiode

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Publication number
EP2174355A1
EP2174355A1 EP08773493A EP08773493A EP2174355A1 EP 2174355 A1 EP2174355 A1 EP 2174355A1 EP 08773493 A EP08773493 A EP 08773493A EP 08773493 A EP08773493 A EP 08773493A EP 2174355 A1 EP2174355 A1 EP 2174355A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
avalanche
layer
diode layer
semiconductor substrate
photodiodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08773493A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Richter
Ladislav Andricek
Gerhard Lutz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
PNSensor GmbH
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
PNSensor GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV, PNSensor GmbH filed Critical Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Publication of EP2174355A1 publication Critical patent/EP2174355A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1446—Devices controlled by radiation in a repetitive configuration

Definitions

  • the invention relates to an avalanche photodiode for radiation detection according to the preamble of the main claim.
  • an avalanche region is formed in a semiconductor substrate, which is formed by a pn junction between a cathode layer and an anode layer and in which the radiation to be detected triggers a windrow breakdown.
  • a Löschwiderstand (quench resistor) is provided, which is connected in series with the avalanche area and has the task to end a radiation-generated avalanche breakdown by the voltage drop across the Löschwiderstand the current lowers so far that the charge carrier multiplication in the Avalanche area dies.
  • the erasure resistance lies partially on the radiation entrance window and must at least partially still be contacted with thin metallic layers.
  • the erosion resistance thus forms an obstacle to the radiation to be detected, whereby the detection efficiency deteriorates drastically, especially for ultraviolet (UV) and blue light.
  • Another problem of the known avalanche photodiodes is based on the fact that radiation detectors are usually operated in a radiation-loaded environment. Extensive preliminary tests are therefore required, especially for space applications, to ensure sufficient long-term stability of the avalanche photodiodes.
  • silicon as a semiconductor material for avalanche photodiodes has the great advantage of a passivating oxide, which has excellent dielectric properties and can be produced with relatively small defects and strains at the silicon-silicon dioxide interface. Nevertheless, this interface is the most sensitive part to ionizing radiation. Both the additional interfacial charges and the interface generation current (leakage current) may exceed the initial values before irradiation by orders of magnitude.
  • the invention is therefore based on the object to improve the conventional avalanche photodiode described above accordingly.
  • the avalanche photodiode according to the invention should be able to be arranged in matrix form in a radiation detector in order to detect individual optical photons.
  • the avalanche photodiode according to the invention should be as easy as possible to produce.
  • the avalanche photodiode according to the invention is as resistant to ionizing radiation as possible.
  • the avalanche photodiode according to the invention should have a high quantum efficiency and a high sensitivity in the ultraviolet and blue spectral range.
  • the avalanche photodiode according to the invention is partly of conventional design and has a semiconductor substrate with an upper side and a lower side, wherein the semiconductor substrate is doped in accordance with a first doping type (eg n-type doping).
  • a first doping type eg n-type doping
  • the semiconductor substrate is made of silicon, but the invention is not limited to silicon with respect to the semiconductor material basically feasible with other semiconductor materials.
  • the avalanche photodiode according to the invention conventionally comprises two oppositely doped diode layers (cathode and anode), which are arranged in the semiconductor substrate near the surface at the top and enclose an avalanche region in which the radiation to be detected at a corresponding Bias causes an avalanche breakdown.
  • the cathode layer is at the top and the anode layer at the bottom, but the invention is not limited to this arrangement. Rather, it is also possible in principle that the anode layer is arranged at the top, while the cathode layer is located underneath.
  • the avalanche photodiode according to the invention has a contacting layer which is arranged on the underside of the semiconductor substrate and doped in accordance with the first doping type (for example n-doping).
  • the contacting layer makes it possible, for example, to apply an electrical bias to the avalanche photodiode so that the avalanche photodiode is operated in the so-called Geiger mode, so that both electrons and holes contribute to carrier multiplication and thereby cause avalanche breakdown the current is limited in principle only by serial resistors.
  • the avalanche photodiode according to the invention provides an erase resistance (quench resistor) which is electrically connected in series with the avalanche region and, in the event of an avalanche breakdown in the avalanche region, should ensure that the avalanche breakdown is achieved by means of a current vector. is deleted by the erosion resistor.
  • the erasure resistance in the invention is embodied as an erasure resistance layer and integrated into the semiconductor substrate, wherein the erosion resistance layer is located between the avalanche region and the contact layer, ie below the lower diode layer, wherein it is preferably is the anode layer. This is advantageous because the lower diode layer shields the soldering resistor layer in this way from the damaging effect of the upper diode layer, as will be described in detail below.
  • the avalanche photodiode according to the invention provides a depletion electrode which is arranged at least partially laterally next to the laterally delimited lower diode layer and doped in accordance with the second doping type.
  • the purpose of the depletion electrode is to deplete the semiconductor substrate laterally adjacent to the laterally delimited lower diode layer in order to electrically isolate the avalanche photodiode in the lateral direction. This is particularly advantageous if numerous avalanche photodiodes according to the invention are arranged next to one another in an avalanche radiation detector, since the depletion electrode then ensures that the immediately adjacent avalanche photodiodes are electrically isolated from one another.
  • the lower diode layer located above the soldering resistance layer electrically shields the soldering resistor layer from the depletion electrode so that the soldering resistor layer is not or only partially depleted.
  • the depletion of the semiconductor substrate occurs in the region laterally adjacent to the laterally delimited lower diode layer Preferably, completely over the entire thickness of the semiconductor substrate, ie the semiconductor substrate is completely depleted laterally next to the lower diode layer from the top to the bottom.
  • the depletion effect of the depletion electrode in the semiconductor substrate only reaches a certain depth, so that in the semiconductor substrate laterally next to the laterally delimited lower diode layer only depletion islands are formed which do not rise in the vertical direction reach to the bottom of the semiconductor substrate.
  • the depletion electrode is formed by the upper diode layer, which for this purpose projects laterally beyond the laterally delimited lower diode layer with a side section and forms the depletion electrode with the protruding side section. In this case, no separate electrical control of the depletion electrode is required, since the upper diode layer is in any case electrically contacted.
  • the depletion electrode is electrically and spatially separated from the upper diode layer and formed as a separate electrode.
  • An advantage of the integration of the soldering resistor as Löschwiderstandsstands harsh in the semiconductor substrate is the fact that the upper diode layer can be completely unstructured at the top of the semiconductor substrate, whereby the detection efficiency is improved dramatically, especially in the ultraviolet and blue spectral range.
  • this offers the possibility that an optical filter layer is applied to the upper side of the avalanche photodiode, which can also be laterally unstructured above the avalanche region.
  • the soldering resistor layer preferably has such a high resistance value that the current in the avalanche region dies at least temporarily in the event of avalanche breakdown and thus ends the avalanche breakdown.
  • the resistance of the soldering resistor should be at least 0.1 M ⁇ , 0.5 M ⁇ , 1 M ⁇ or at least 2 M ⁇ .
  • the invention is in terms of the resistance value of the Löschwiderstandstik not limited to the above limits, but depending on other boundary conditions with other resistance values realized.
  • the soldering resistance layer preferably has a thickness in the range of 10 .mu.m to 100 .mu.m.
  • the thickness of the Löschwiderstandstik is thus greater than 10 microns, 20 microns or 50 microns.
  • the thickness of the Löschwiderstandstik is preferably less than 1000 microns, 500 microns, 200 microns, 100 microns or 50 microns.
  • the invention is not limited to the above numerical values in terms of the thickness of the soldering resistor layer.
  • the lower diode layer (preferably the anode layer) generally has a thickness that is greater than the thickness of the avalanche region.
  • the thickness of the lower diode layer is preferably greater than 1 ⁇ m, 2 ⁇ m, 5 ⁇ m or 10 ⁇ m.
  • the invention is not limited to the above numerical values in the thickness of the lower diode layer.
  • the upper diode layer preferably has a thickness of a few 10 nm to a few
  • the thickness of the upper diode layer is preferably greater than 5 nm, 10 nm, 20 nm or 50 nm.
  • the thickness of the upper diode layer is preferably less than 1000 nm, 500 nm, 400 nm, 300 nm, 200 nm or more 100 nm.
  • the invention is not limited to the above numerical values in terms of the thickness of the upper diode layer. It should further be mentioned with regard to the soldering resistor layer that its doping concentration is preferably in the range from 0.5 "10 12 cm -3" to 10 14 cm "3.
  • the doping concentration in the soldering resistor layer is in particular greater than 0.5-10 12 cm -3 , 0,7'10 12 cm -3 or 10 12 cm '. 3
  • the invention is not limited to the aforementioned number ranges in terms of the doping concentration in the photo-resistance layer.
  • the first doping type is preferably an n-doping
  • the second doping type is preferably a p-doping
  • the invention can also be implemented with an inverse doping, wherein the first doping type is a p-type doping, while the second doping type is an n-type doping.
  • the upper diode layer and the contacting layer are preferably relatively heavily doped, while the semiconductor substrate and thus the solder resistor layer are preferably relatively weakly doped.
  • the semiconductor substrate is preferably monocrystalline.
  • the radiation entrance window is the radiation to be detected is preferably arranged on the upper side, ie on the same side as the avalanche region.
  • the vertical extent of the semiconductor substrate and thus also the thickness of the avalanche photodiode according to the invention is essentially determined by the thickness of the soldering resistor layer. Normally, however, common semiconductor wafers are several hundred ⁇ m thick in order to ensure mechanical stability required for processing.
  • the usually n-doped contacting layer on the underside of the avalanche photodiode can of course be extended almost arbitrarily in the vertical direction.
  • Another advantage is achieved when the Löschwiderstands Mrs has a lateral and / or vertical doping profile. It can, for.
  • a doping gradient may be provided, in which the doping concentration in the quenching resistor layer increases upward.
  • the effect of the depletion electrode (space charge zone) can lead to a strong lateral depletion, especially in the upper region of the resistive layer. This can even lead to pinch off of the extinguishing resistor layer.
  • the lateral expansion of the space charge zone is advantageously suppressed and the pinch-off avoided.
  • the change in the doping concentration may, for.
  • n-type ion implantation layer introduced below the high energy anodes.
  • the erosion resistance layer is epitaxially grown, it is also possible during the epitaxy process to deliberately produce a vertical, laterally unstructured, doping profile, in particular set within the lightly doped n-layer.
  • the contacting layer is therefore formed by a highly doped wafer onto which the soldering resistor layer is applied.
  • wafer-bonding An alternative possibility is the use of the method known as wafer-bonding, which is described, for example, in Tong, QY; Gösele, U .: “Semiconductor Wafer Bonding", John Wiley and Sons, New York, 1999, so that the content of this publication is fully within the scope of the present invention in terms of wafer bonding technology.
  • two silicon wafers are monolithically bonded together after a suitable surface pretreatment.
  • the lower wafer serves as a stable mechanical carrier and is highly n-doped, so that it fulfills the function of the contacting layer in the context of the invention.
  • the upper wafer is lightly doped and after wafer bonding is ground to about the target thickness of the arc resistor layer and then lapped and polished to produce the required surface quality.
  • the sandwich structure obtained in this way can be treated like a standard wafer.
  • the wafers are hereby oxidized before bonding, resulting in an SOI structure (SOI: silicon on I_nsulator), as described in the above textbook by Tong / Gösele.
  • SOI silicon on I_nsulator
  • the advantage of wafer bonding over the epitaxial approach is that it provides more flexibility in doping choice for the quenching resistor layer.
  • the FZ crystal growth process FZ: Float Zone
  • Photodiode thus a carrier layer, which is arranged on the underside of the contacting layer and mechanically carries the avalanche photodiode.
  • the carrier layer can be made, for example, of silicon, silicon dioxide, glass, in particular quartz glass, sapphire, a ceramic or a highly doped one
  • an insulating layer which can consist of silicon dioxide, for example, is preferably arranged between the contacting layer and the carrier layer. This is particularly the case with the above-mentioned SOI structure in which two wafers are bonded together, wherein at least one wafer has been oxidized before bonding.
  • the effect of the depletion electrode can be enhanced by providing a doped region in the semiconductor substrate.
  • the doped region is provided laterally adjacent to the solder resist layer and doped according to the second doping type.
  • a further possibility is thereby achieved (in addition to the separated depletion electrode) to deplete the insulating, depleted part of the semiconductor substrate with smaller voltages. That between the p-doped layer and the adjacent n-doped layer (s)
  • the invention is not limited to the above-described avalanche photodiode according to the invention as a single component, but also includes an avalanche radiation detector with a plurality of juxtaposed avalanche photodiodes according to the invention.
  • the avalanche photodiodes are preferably arranged in matrix form in straight rows and columns or with a regular hexagonal geometry or with a modified geometry.
  • the regular hexagonal geometry has the advantage that the avalanche photodiodes of particularly high density and less dead space can be arranged.
  • the individual avalanche photodiodes are in this case connected in parallel to a common amplifier.
  • the upper diode layer (preferably the cathode layer) of the individual avalanche photodiodes extends in a lateral direction over a plurality of adjacent avalanche photodiodes, wherein the upper diode layer preferably covers all avalanche photodiodes.
  • the lower diode layer (preferably the anode layer) of the individual avalanche photodiodes is interrupted in each case between the adjacent avalanche photodiodes and has a gap.
  • the upper diode layer is not shielded from the lower diode layer in the spaces between the adjacent avalanche photodiodes, so that the upper diode layer acts as a depletion electrode in the gaps and depletes the semiconductor substrate in the gaps, electrically isolating the adjacent avalanche photodiodes from each other ,
  • the upper diode layer is interrupted in each case between the adjacent avalanche photodiodes, in which case a separate depletion electrode is arranged in the interspaces, in order to prevent the To deplete semiconductor substrate in the interstices.
  • the depletion electrodes can then also be arranged in grid form and controlled independently of the avalanche photodiodes.
  • the individual avalanche photodiodes are connected to the amplifier via a common connecting line, wherein the connecting line makes contact with the common upper diode layer, which all avalanche photodiodes have in common.
  • the individual avalanche photodiodes can be connected to the amplifier via a plurality of parallel connection lines, wherein the individual connection lines respectively contact the upper diode layer in the vicinity of the respective avalanche photodiodes.
  • This offers the advantage that only lower voltage drops occur along the upper diode layer, since the
  • the adjacent avalanche photodiodes are optically isolated from one another in order to prevent optical crosstalk between the adjacent avalanche photodiodes.
  • This optical isolation preferably consists of isolation trenches which are etched between the adjacent avalanche photodiodes and absorb or reflect photons generated in the avalanche photodiodes.
  • the isolation trenches may have trench walls that are doped in accordance with the second doping type and / or that are at the potential of the upper diodes.
  • FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of an avalanche photodiode according to the invention, including the erosion resistance and the coupling capacitance,
  • FIG. 2 shows the current-voltage characteristic of the avalanche photodiode according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a part of an avalanche radiation detector according to the invention, the cross-sectional view showing two avalanche photodiodes according to the invention
  • FIG. 4 shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 3 with a carrier wafer on the underside
  • FIG. 5 shows a modification of the embodiment according to FIG. 4, which is produced by wafer bonding
  • FIG. 6 shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 3, wherein the semiconductor substrate is not completely depleted to the bottom in the spaces between the adjacent avalanche photodiodes,
  • FIG. 7 shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 3, wherein the cathode layer is arranged in the space between the adjacent avalanche photodiodes. broken and depleted by a separate depletion electrode,
  • FIG. 8 shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 3, wherein optical isolation is provided in the space between the adjacent avalanche photodiodes,
  • FIG. 9 shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 3, wherein a plurality of connection lines are provided, FIG.
  • FIG. 10 shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 3, wherein a doped region is provided
  • Figure 11 shows a modification of the embodiment of Figure 5, wherein in addition an amplifier is additionally provided for each diode.
  • FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of an avalanche photodiode 1 according to the invention, which is arranged in matrix form in an avalanche radiation detector with numerous further avalanche photodiodes 1 and serves for radiation detection.
  • the avalanche photodiode 1 is a real component of a parallel circuit of an ideal avalanche diode AD with an ideal diode capacitance C D , which are connected together between a read-out node 2 (virtual ground) and a transfer node 3.
  • the avalanche photodiode 1 has, as a real component, a parallel connection consisting of an ideal erosion resistance RQ and an ideal coupling capacitance C c . Rallelscnies between the transfer node 3 and a bias node 4 is connected.
  • the readout node 2 is connected to an amplifier 5, which measures the output signals of all the avalanche photodiodes 1 of the matrix-shaped detector structure.
  • the bias node 4 is biased U BIAS during operation, the bias voltage U B IAS is greater than the breakdown voltage UAVALAN CHE the avalanche photodiode 1, so that a radiation-generated generation of a signal charge carrier in the avalanche diode immediately generates an avalanche.
  • the avalanche photodiode then passes in the characteristic diagram according to FIG. 2 from an operating point 6 along the dashed line to an operating point 7. At the operating point 7, the electrical voltage dropping across the soldering resistor R Q then increasingly delimits the electric current, so that the avalanche photodiode 1 changes from the operating point 7 to an operating point 8 along the characteristic curve.
  • the electrical current through the avalanche photodiode 1 is then only about 20 ⁇ A. This has the consequence that the electric current fluctuates at least briefly to zero, which leads to the extinction of the avalanche, so that the avalanche photodiode 1 passes from the operating point 8 in the operating point 9 and then in the original operating point 6.
  • the construction of the avalanche photodiode 1 according to the invention will now be described below with reference to FIG. 3, two avalanche photodiodes being shown side by side here.
  • a plurality of avalanche photodiodes form the avalanche radiation detector according to the invention.
  • the avalanche photodiode 1 On an underside 10 of a semiconductor substrate 11, the avalanche photodiode 1 has a laterally continuous and highly n-doped contacting layer 12.
  • an optical filter layer 14 On an opposite upper side 13 is an optical filter layer 14, as they are, for. B. for reflection reduction, known from the prior art and need not be further described.
  • a highly p-doped cathode layer 15 having a layer thickness d k of 10 nm to a few 100 nm.
  • the cathode layer 15 is laterally unstructured and extends over the entire width of the detector structure, as will be explained in detail.
  • the cathode layer 15 is connected to the amplifier 5 via a contact 24.
  • an n-doped anode layer 16 Below the cathode layer 15 there is an n-doped anode layer 16, wherein the anode layer 16 is bounded laterally and leaves a gap 17 between the adjacent avalanche photodiodes 1.
  • the gap 17 allows the cathode layer 15 to completely deplete the semiconductor substrate 11 in the gap 17 between the two adjacent avalanche photodiodes 1, so that the adjacent avalanche photodiodes 1 are electrically isolated from each other by the depletion in the gap 17.
  • anode layer 16 there is furthermore an erosion resistance layer 18, which is weakly n-doped.
  • the Anode layer 16 here shields the laterally limited erase resistance layer 18 from the depletion effect of the cathode layer 15 located above it, so that the erosion resistance layer 18 is not depleted.
  • the cathode layer 15 protrudes in the lateral direction via the anode layer 16 into the intermediate space 17, so that the cathode layer 15 forms a depletion electrode in the interspace 17, which depletes the semiconductor substrate 11 in the interspace 17.
  • the anode layer 16 in this case has a thickness d A in the range of micrometers, while the Löschwiderstands harsh 18 has a thickness d R in the range of 10 microns to about 100 microns.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 largely corresponds to the exemplary embodiment described above and illustrated in FIG. 3, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding details.
  • a special feature of this embodiment is that the lower contacting layer 12 is formed by a highly n-doped carrier wafer.
  • the quenching resistor layer 18 is epitaxially grown on the contacting layer 12.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 largely agrees again with the exemplary embodiments described above, so that in order to avoid repetition on the above description, with the same reference numerals being used for corresponding details.
  • a special feature of this embodiment is that under the contacting layer 12 is still an insulating layer 19 is arranged.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 6 again largely corresponds to the exemplary embodiment described above and illustrated in FIG. 3, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numbers being used for corresponding details.
  • a special feature of this exemplary embodiment is that the depletion effect of the cathode layer 15 in the intermediate space 17 does not extend to the contacting layer 12 on the underside 10. Instead, the cathodic layer 15, which acts as a depletion electrode, forms only a depletion island in the intermediate space 17, which extends only partially into the depth.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 7 in turn largely corresponds to the exemplary embodiment described above and illustrated in FIG. 3, so that reference is made to the above description in order to avoid repetition. is taken, with the same reference numerals are used for corresponding details.
  • a special feature here is that the cathode layer 15 does not pass laterally, but is interrupted in the intermediate space 17.
  • a separate depletion electrode 21 is arranged in the gap 17, which can be controlled independently of the avalanche photodiodes 1, which is not shown here for the sake of simplicity.
  • cathode layers 15 of the adjacent avalanche photodiodes are in this case electrically connected to one another by a line element 22.
  • FIG. 8 again shows an exemplary embodiment which in turn largely corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 3, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding details.
  • a special feature is that in the gap 17 between the adjacent avalanche photodiodes, an optical isolation is provided, which optically isolated the adjacent avalanche photodiodes from each other to prevent optical crosstalk.
  • the optical isolation consists of isolation trenches 23 etched into the gap 17 in the semiconductor substrate 11, the isolation trenches absorbing and / or reflecting photons.
  • connection to the amplifier 5 is not made by a single connecting line, but by a plurality of connecting lines 24, 25, which are electrically connected in parallel. This prevents that along the cathode layer 15 excessively high voltage drops occur.
  • FIGS. 10 and 11 show further modifications of the embodiment described above and shown in FIG. To avoid repetition, reference is made to the above description, wherein the same reference numerals are used for corresponding details.
  • the peculiarity of the exemplary embodiment shown in FIG. 10 consists in the provision of a p-doped region 25 in the lower part of the interspace 17.
  • the doped region 25 generates an intrinsic space charge zone, by means of which the semiconductor substrate 11 is additionally depleted laterally next to the erosion resistor 18.
  • the space charge zone is superimposed with the upper space charge zone, which is generated by the depletion electrode 15 laterally to the anode layer 16.
  • the p-doped region 25 does not have to be on the lower one
  • readout amplifiers 5 are arranged on the rear side of the photodiode, which enable spatially resolved readout of measurement signals.
  • Such a system can, for. B. from an avalanche diode sensor chip and a plurality of amplifiers containing highly integrated readout chip. In this case, the read-out chip must be attached to the back in order not to obscure the optical entrance window on the top.
  • the embodiment illustrated in FIG. 5, in which the wafer-bonding method is used can be changed to a position-sensitive detector according to FIG.
  • the back-side contacting layer 12 is preferably introduced in a structured manner before the wafer bonding.
  • an insulating p-layer 25 is required in the interspaces. lent ( Figure 11).
  • the carrier wafer 20 is preferably removed by etching, wherein the insulating layer 19 can serve as an etch stop. Contact holes are then etched and metallized in the insulating layer.
  • the read-out chip is contacted.
  • the amplifier 5 are shown schematically on the readout chip.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Avalanche-Photodiode (1) zur Detektion von Strahlung, mit einem Halbleitersubstrat (11), einer oberen Diodenschicht (15), einer gegensätzlich dotierten, lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16), einem Avalanche-Bereich, der sich zwischen der oberen Diodenschicht (15) und der unteren Diodenschicht (16) befindet, wobei die zu detektierende Strahlung in dem Avalanche-Bereich einen Lawinendurchbruch auslöst, sowie mit einer Kontaktierungsschicht (12) an der Unterseite (10) des Halbleitersubstrats (11), einer lateral begrenzten Löschwiderstandsschicht (18), die in dem Halbleitersubstrat (11) zwischen der unteren Diodenschicht (16) und der Kontaktierungsschicht (12) angeordnet ist, wobei die Löschwiderstandsschicht (18) den strahlungsgenerierten Lawinendurchbruch in dem Avalanche-Bereich löscht, sowie mit einer Verarmungselektrode (15)., die seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16) angeordnet ist, so dass die Verarmungselektrode (15) das Halbleitersubstrat (11) seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16) verarmt, während die Löschwiderstandsschicht (18) von der unteren Diodenschicht (16) gegenüber der Verarmungselektrode (15) abgeschirmt wird und deshalb nicht verarmt ist.

Description

Avalanche-Photodiode
Die Erfindung betrifft eine Avalanche-Photodiode zur Strah- lungsdetektion gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Aus Sadygov Z.: "Three advanced designs of micro-pixel ava- lanche photodiodes: Their present Status, maximum possibili- ties and limitations" , Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567 (2006) 70-73 ist eine derartige Avalanche-Photodiode bekannt, die zur Strahlungsdetektion eingesetzt werden kann. Hierbei befindet sich in einem Halbleitersubstrat ein Avalanche-Bereich, der durch einen pn-Übergang zwischen einer Kathodenschicht und einer Anodenschicht gebildet wird und in dem die zu detektierende Strahlung einen La- winendurchbruch auslöst. Darüber hinaus ist hierbei ein Löschwiderstand (Quench-Widerstand) vorgesehen, der mit dem Avalanche-Bereich in Reihe geschaltet ist und die Aufgabe hat, einen strahlungsgenerierten Lawinendurchbruch zu beenden, indem der Spannungsabfall über dem Löschwiderstand den Strom soweit absenkt, dass die Ladungsträgermultiplikation in dem Avalanche-Bereich abstirbt.
In einer Variante dieser bekannten Avalanche-Photodiode liegt der Löschwiderstand teilweise auf dem Strahlungseintrittsfenster und muss zumindest teilweise noch mit dünnen metallischen Schichten kontaktiert werden. Der Löschwiderstand bildet hierbei also ein Hindernis für die zu detektierende Strahlung, wodurch sich die Nachweiseffizienz gerade für ultraviolettes (UV) und blaues Licht drastisch verschlechtert.
In einer anderen Variante sieht die vorstehend erwähnte Veröffentlichung von Sadygov et al. vor, dass der Löschwider- stand zusammen mit einem Koppelkondensator in das Halbleitersubstrat (bulk) integriert wird, wobei sich der Avalanche- Bereich tief vergraben in dem Halbleitersubstrat an einer E- pitaxieschichtgrenzflache befindet .
Zum einen ist dies, wie in der genannten Veröffentlichung ausgeführt, mit technologischen Schwierigkeiten verbunden, da eine tiefe Ionenimplantation und ein Epitaxialwachstum auf hochreinen Silizium-Wafern erforderlich ist.
Zum anderen ist jeweils für viele Avalanche-Photodioden ein gemeinsamer Löschwiderstand vorgesehen, so dass nach dem Ansprechen einer Diode große Nachbarschaftsbereiche insensitiv werden.
Ein weiteres Problem der bekannten Avalanche-Photodioden beruht darauf, dass Strahlungsdetektoren in der Regel in einer strahlenbelasteten Umgebung betrieben werden. Speziell bei Weltraumanwendungen sind deshalb umfangreiche Vortests erfor- derlich, um eine ausreichende Langzeitstabilität der Avalanche-Photodioden sicherzustellen. Zwar besitzt Silizium als Halbleitermaterial für Avalanche-Photodioden den großen Vorteil eines passivierenden Oxids, das vorzügliche dielektrische Eigenschaften besitzt und mit relativ geringen Defekten und Verspannungen an der Silizium-Siliziumdioxid-Grenzfläche herstellbar ist. Dennoch bildet diese Grenzfläche den empfindlichsten Teil gegenüber ionisierender Strahlung. Sowohl die zusätzlich entstehenden Grenzflächenladungen als auch der Grenzflächengenerationsstrom (Leckstrom) können die Ausgangs- werte vor der Bestrahlung um Größenordnungen übersteigen. Vor allem die Isolationsstrukturen der herkömmlichen Strahlungsdetektoren fallen aus diesem Grund häufig aus. Es sind deshalb strahlenhärtere Detektoren wünschenswert. Ferner ist zum Stand der Technik hinzuweisen auf EP 1 840 967 Al und JP 09-64398 AA, EP 1 755 171 Al, US 2006/0249747 Al und US 6 222 209 Bl.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene herkömmliche Avalanche-Photodiode entsprechend zu verbessern.
Vorzugsweise sollte die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode in Matrixform in einem Strahlungsdetektor angeordnet werden können, um einzelne optische Photonen zu detektieren.
Weiterhin sollte die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode möglichst einfach herstellbar sein.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode gegenüber ionisierenden Strahlen möglichst resistent ist.
Ferner soll die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode eine hohe Quantenausbeute sowie eine hohe Empfindlichkeit im ultravioletten und blauen Spektralbereich haben.
Die vorstehenden Aufgaben werden durch eine erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode gemäß dem Hauptanspruch bzw. den Unteransprüchen gelöst.
Die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode ist teilweise herkömmlich aufgebaut und weist ein Halbleitersubstrat mit einer Oberseite und einer Unterseite auf, wobei das Halbleitersubstrat entsprechend einem ersten Dotierungstyp (z.B. n-Dotie- rung) dotiert ist. Vorzugsweise besteht das Halbleitersubstrat aus Silizium, jedoch ist die Erfindung hinsichtlich des Halbleitermaterials nicht auf Silizium beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Halbleitermaterialien realisierbar.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode in herkömmlicher Weise zwei übereinander angeordnete, gegensätzlich dotierte Diodenschichten (Kathode und Anode) auf, die in dem Halbleitersubstrat oberflächennah an der Oberseite angeordnet sind und einen Avalanche-Bereich einschließen, in dem die zu detektierende Strahlung bei einer entsprechenden Vor- Spannung einen Lawinendurchbruch auslöst.
Vorzugsweise befindet sich die Kathodenschicht hierbei oben und die Anodenschicht unten, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Vielmehr ist es grundsätzlich auch möglich, dass die Anodenschicht oben angeordnet ist, während sich die Kathodenschicht darunter befindet.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode eine Kontaktierungsschicht auf, die an der Unterseite des Halbleitersubstrats angeordnet und entsprechend dem ersten Dotierungstyp (z.B. n-Dotierung) dotiert ist. Die Kontaktierungsschicht ermöglicht es beispielsweise, eine elektrische Vorspannung an die Avalanche-Photodiode anzulegen, damit die Avalanche-Photodiode in dem so genannten Geiger-Modus be- trieben wird, so dass sowohl Elektronen als auch Löcher zur Trägermultiplikation beitragen und dadurch einen Lawinendurchbruch verursachen, in dem der Strom im Prinzip nur durch serielle Widerstände begrenzt ist.
Weiterhin sieht die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode einen Löschwiderstand (Quench-Widerstand) vor, der elektrisch mit dem Avalanche-Bereich in Reihe geschaltet ist und bei einem Lawinendurchbruch in dem Avalanche-Bereich dafür sorgen soll, dass der Lawinendurchbruch mittels einer Strombegren- zung durch den Löschwiderstand gelöscht wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der Löschwiderstand bei der Erfindung jedoch als Löschwiderstandsschicht ausgebildet und in das Halbleitersubstrat integriert, wobei sich die Löschwider- Standsschicht zwischen dem Avalanche-Bereich und der Kontak- tierungsschicht befindet, d.h. unter der unteren Diodenschicht, wobei es sich vorzugsweise um die Anodenschicht handelt. Dies ist vorteilhaft, weil die untere Diodenschicht die Löschwiderstandsschicht auf diese Weise gegenüber der verar- menden Wirkung der oberen Diodenschicht abschirmt, wie noch detailliert beschrieben wird.
Weiterhin sieht die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode eine Verarmungselektrode vor, die zumindest teilweise seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht angeordnet und entsprechend dem zweiten Dotierungstyp dotiert ist. Die Verarmungselektrode hat die Aufgabe, das Halbleitersubstrat seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht zu verarmen, um die Avalanche-Photodiode in seitlicher Rich- tung elektrisch zu isolieren. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in einem Avalanche-Strahlungsdetektor zahlreiche erfindungsgemäße Avalanche-Photodioden nebeneinander angeordnet sind, da die Verarmungselektrode dann dafür sorgt, dass die unmittelbar benachbarten Avalanche-Photodioden e- lektrisch voneinander isoliert sind.
Die über der Löschwiderstandsschicht befindliche untere Diodenschicht (vorzugsweise die Anodenschicht) schirmt hierbei die Löschwiderstandsschicht elektrisch gegenüber der Verar- mungselektrode ab, so dass die Löschwiderstandsschicht nicht oder nur teilweise verarmt ist.
Die Verarmung des Halbleitersubstrats in dem Bereich seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht erfolgt vorzugsweise vollständig über die gesamte Dicke des Halbleitersubstrats, d.h. das Halbleitersubstrat ist seitlich neben der unteren Diodenschicht von der Oberseite bis zur Unterseite vollständig verarmt.
Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass die Verarmungswirkung der Verarmungselektrode in dem Halbleitersubstrat nur bis in eine bestimmte Tiefe erreicht, so dass sich in dem Halbleitersubstrat seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht lediglich Verarmungsinseln ausbilden, die in vertikaler Richtung nicht bis zu der Unterseite des Halbleitersubstrats reichen.
In einer Variante der Erfindung wird die Verarmungselektrode durch die obere Diodenschicht gebildet, die hierzu mit einem Seitenabschnitt seitlich über die lateral begrenzte untere Diodenschicht hinausragt und mit dem hinausragenden Seitenabschnitt die Verarmungselektrode bildet. Hierbei ist keine separate elektrische Ansteuerung der Verarmungselektrode erfor- derlich, da die obere Diodenschicht ohnehin elektrisch kontaktiert ist.
In einer anderen Variante der Erfindung ist die Verarmungselektrode dagegen von der oberen Diodenschicht elektrisch und räumlich getrennt und als separate Elektrode ausgebildet.
Dies ermöglicht es vorteilhaft, die Verarmungselektrode mit einem unabhängigen elektrischen Potential anzusteuern, um die gewünschte Verarmungswirkung in dem Halbleitersubstrat zu erreichen. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, wenn die Abstände zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden sehr klein sind und die Kathodenspannung nicht mehr für eine vollständige Verarmung des Halbleitersubstrats in dem Zwischenraum zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden ausreicht. Darüber hinaus bildet die erfindungsgemäße Löschwiderstands- schicht eine Koppelkapazität, wie es bereits von herkömmlichen Avalanche-Photodioden bekannt ist.
Vorteilhaft an der Integration des Löschwiderstands als Löschwiderstandsschicht in das Halbleitersubstrat ist die Tatsache, dass die obere Diodenschicht an der Oberseite des Halbleitersubstrats völlig unstrukturiert sein kann, wodurch die Nachweiseffizienz gerade im ultravioletten und blauen Spektralbereich drastisch verbessert wird.
Darüber hinaus bietet dies die Möglichkeit, dass auf die Oberseite der Avalanche-Photodiode eine optische Filter- schicht aufgebracht wird, die über dem Avalanche-Bereich ebenfalls lateral unstrukturiert sein kann.
Es wurde bereits vorstehend erwähnt, dass die Löschwiderstandsschicht die Aufgabe hat, einen strahlungsgenerierten Lawinendurchbruch zu beenden. Der Löschwiderstand muss deshalb einen so großen Widerstand aufweisen, dass der Strom bei einem Lawinendurchbruch kleiner als circa 20 μA ist. Bei einem Strom dieser Größe wird es sehr wahrscheinlich, dass die ihn repräsentierende Ladungsträgerdichte in dem Avalanche- Bereich zumindest kurzzeitig auf den Wert null fluktuiert, was zu dem gewünschten Absterben der Ladungsträgerlawine führt. Bei der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode weist die Löschwiderstandsschicht deshalb vorzugsweise einen so großen Widerstandswert auf, dass der Strom in dem Avalanche- Bereich bei einem Lawinendurchbruch zumindest zeitweise abstirbt und damit den Lawinendurchbruch beendet. Die Löschwiderstandsschicht sollte hierzu einen Widerstandswert von mindestens 0,1 MΩ, 0,5 MΩ, 1 MΩ oder mindestens 2 MΩ aufweisen. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Widerstands- wertes der Löschwiderstandsschicht nicht auf die vorstehenden Grenzwerte beschränkt, sondern in Abhängigkeit von weiteren Randbedingungen auch mit anderen Widerstandswerten realisierbar.
Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass die Löschwiderstandsschicht vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 10 μm bis 100 μm aufweist. Vorzugsweise ist die Dicke der Löschwiderstandsschicht also größer als 10 μm, 20 μm oder 50 μm. Weiterhin ist die Dicke der Löschwiderstandsschicht vorzugsweise kleiner als 1000 μm, 500 μm, 200 μm, 100 μm oder 50 μm. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Dicke der Löschwiderstandsschicht nicht auf die vorstehend genannten Zahlenwerte beschränkt .
Ferner ist zu erwähnen, dass die untere Diodenschicht (vorzugsweise die Anodenschicht) in der Regel eine Dicke aufweist, die größer ist als die Dicke des Avalanche-Bereichs . Vorzugsweise ist die Dicke der unteren Diodenschicht größer als 1 μm, 2 μm, 5 μm oder 10 μm. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Dicke der unteren Diodenschicht nicht auf die vorstehend genannten Zahlenwerte beschränkt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die obere Diodenschicht vor- zugsweise eine Dicke aufweist, die einige 10 nm bis wenige
100 nm beträgt. Vorzugsweise ist die Dicke der oberen Diodenschicht also größer als 5 nm, 10 nm, 20 nm oder 50 nm. Darüber hinaus ist die Dicke der oberen Diodenschicht vorzugsweise kleiner als 1000 nm, 500 nm, 400 nm, 300 nm, 200 nm o- der 100 nm. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Dicke der oberen Diodenschicht nicht auf die vorstehend genannten Zahlenwerte beschränkt. Zu der Löschwiderstandsschicht ist weiterhin zu erwähnen, dass deren Dotierungskonzentration vorzugsweise im Bereich von 0,5"1012 cm"3 bis 1014 cm"3 liegt. Die Dotierungskonzentration in der Löschwiderstandsschicht ist insbesondere größer als 0,5-1012 cm"3, 0,7'1012 Cm'3 oder 1012 cm'3. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Dotierungskonzentration in der Löschwiderstandsschicht nicht auf die vorstehend genannten Zahlenbereiche beschränkt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass es sich bei dem ersten Dotierungstyp vorzugsweise um eine n-Dotierung handelt, während der zweite Dotierungstyp vorzugsweise eine p-Dotierung ist. Die Erfindung ist jedoch auch mit einer inversen Dotierung realisierbar, wobei der erste Dotierungstyp eine p-Dotierung ist, während der zweite Dotierungstyp eine n-Dotierung ist.
Ferner ist zu erwähnen, dass die obere Diodenschicht und die Kontaktierungsschicht vorzugsweise relativ stark dotiert sind, während das Halbleitersubstrat und damit die Löschwi- derstandsschicht vorzugsweise relativ schwach dotiert sind.
Ferner ist zu erwähnen, dass das Halbleitersubstrat vorzugsweise monokristallin ist.
Weitere konstruktive Einzelheiten von Avalanche-Photodioden sind beispielsweise bekannt aus Lutz, G. : "Semiconductor Radiation Detectors", 2. Auflage, Springer Verlag 2001, Seite 239-242, so dass der Inhalt dieses Fachbuchs der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode in vollem Umfang zuzurechnen ist.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass bei der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode das Strahlungseintrittsfenster zur Auf- nähme der zu detektierenden Strahlung vorzugsweise an der Oberseite angeordnet ist, also auf der selben Seite wie der Avalanche-Bereich .
Die vertikale Ausdehnung des Halbleitersubstrats und damit auch die Dicke der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode wird im Wesentlichen durch die Dicke der Löschwiderstands- schicht bestimmt. Normalerweise sind übliche Halbleiter-Wafer jedoch mehrere 100 μm dick, um eine für die Prozessierung er- forderliche mechanische Stabilität zu gewährleisten. Die in der Regel n-dotierte Kontaktierungsschicht an der Unterseite der Avalanche-Photodiode kann natürlich in vertikaler Richtung fast beliebig ausgedehnt werden.
Ein weiterer Vorteil wird erzielt, wenn die Löschwiderstands- schicht ein laterales und/oder vertikales Dotierungsprofil aufweist. Es kann z. B. ein Dotierungsgradient vorgesehen sein, bei dem die Dotierungskonzentration in der Löschwider- standsschicht nach oben zunimmt. Insbesondere bei flächenmä- ßig kleinen Avalanche-Photodioden oder bei relativ dicken Widerstandsschichten kann es, vor allem im oberen Bereich der Widerstandsschicht, durch die Wirkung der Verarmungselektrode (Raumladungszone) zu einer starken seitlichen Verarmung kommen. Dies kann sogar zum Abschnüren (pinch off) der Löschwi- derstandsschicht führen. Durch eine Anhebung der Dotierungskonzentration im oberen Bereich des Halbleitersubstrats wird die laterale Ausdehnung der Raumladungszone vorteilhafterweise unterdrückt und die Abschnürung vermieden. Die Änderung der Dotierungskonzentration kann z. B. lokal, durch eine un- terhalb der Anoden mit hoher Energie eingebrachte Ionenimplantationsschicht vom n-Typ erfolgen. Wenn die Löschwider- standsschicht epitaktisch aufgewachsen wird, ist es aber auch möglich, während des Epitaxievorgangs gezielt ein vertikales, lateral unstrukturiertes, Dotierungsprofil, insbesondere innerhalb der schwach dotierten n-Schicht einzustellen.
Herstellungsmäßig bietet es sich an, die schwach n-dotierte Löschwiderstandsschicht auf einem hoch n-dotierten Wafer epitaktisch aufwachsen zu lassen. In einer Variante der Erfindung wird die Kontaktierungsschicht also durch einen hoch dotierten Wafer gebildet, auf den die Löschwiderstandsschicht aufgebracht ist.
Eine alternative Möglichkeit besteht im Einsatz des als Wa- fer-Bonding bekannten Verfahren, das beispielsweise in Tong, Q. Y.; Gösele, U.: "Semiconductor Wafer Bonding", John Wiley and Sons, New York, 1999 beschrieben ist, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich der Technik des Wafer-Bonding in vollem Umfang zuzurechnen ist. Hierbei werden zwei Silizium-Wafer nach einer geeigneten Oberflächenvorbehandlung monolithisch miteinander verbunden. Der untere Wafer dient hierbei als stabiler mecha- nischer Träger und ist hoch n-dotiert, so dass er im Rahmen der Erfindung die Funktion der Kontaktierungsschicht erfüllt. Der obere Wafer ist dagegen schwach dotiert und wird nach dem Wafer-Bonding etwa auf die Zieldicke der Löschwiderstandsschicht abgeschliffen und danach geläppt und poliert, um die erforderliche Oberflächenqualität herzustellen. In der weiteren Prozessierung kann die so gewonnene Sandwich-Struktur wie ein Standard-Wafer behandelt werden. Häufig werden die Wafer hierbei vor dem Bonding oxidiert, wodurch eine SOI-Struktur (SOI: .Silicon on I_nsulator) entsteht, wie in dem vorstehenden Fachbuch von Tong/Gösele beschrieben ist. Der Vorteil des Wafer-Bonding gegenüber dem Epitaxieverfahren besteht darin, dass man mehr Flexibilität bei der Dotierungswahl für die Löschwiderstandsschicht gewinnt. Obwohl moderne Epitaxieanlagen heutzutage schon sehr hochohmige Schichten aufwachsen können, ist das für die Wafer-Herstellung zur Verfügung stehende FZ-Kristallzüchtungsverfahren (FZ: Float Zone) für die Herstellung höchst reinen Siliziums überlegen.
In dieser Variante der Erfindung weist die Avalanche-
Photodiode also eine Trägerschicht auf, die an der Unterseite der Kontaktierungsschicht angeordnet ist und die Avalanche- Photodiode mechanisch trägt. Die Trägerschicht kann beispielsweise aus Silizium, Siliziumdioxid, Glas, insbesondere Quarzglas, Saphir, einer Keramik oder einem hochdotierten
Halbleitermaterial bestehen, jedoch sind grundsätzlich auch andere Materialien für die Trägerschicht möglich.
Weiterhin ist zwischen der Kontaktierungsschicht und der Trä- gerschicht vorzugsweise eine Isolierschicht angeordnet, die beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen kann. Dies ist insbesondere bei der vorstehend erwähnten SOI-Struktur der Fall, bei der zwei Wafer miteinander verbunden werden, wobei zumindest ein Wafer vor dem Bonding oxidiert wurde.
Für die Realisierung von Detektormatrizen mit Matrixelementen größer 100 x 100 μm, mit denen hohe Nachweiseffizienzen erzielt werden können, werden aufgrund des großen Querschnitts der vertikalen Löschwiderstände sehr hochohmige Widerstands- schichten benötigt. Für derartig große Matrixelemente bietet es sich an, von einem hochohmigen FZ-Wafer auszugehen. Aufgrund seiner Dicke kann der Isolationsbereich nur teilweise verarmt werden, so dass die Löschwiderstände im unteren Bereich nicht separiert sind. Beim Ansprechen eines Matrixele- mentes (d.h. einer der erfindungsgemäßen Avalanche-Photo- dioden) werden die Anoden der Nachbarelemente ebenfalls etwas entladen. Wenn diese Nachbarn innerhalb der Wiederaufladezeit triggern, reduziert sich deren Signal, was zu einer Verbreiterung der Einzelphotonenspektren führt. Für Anwendungen mit kleinen Signalraten fällt dieser Nachteil nicht ins Gewicht, so dass dort zugunsten eines kostengünstigen Prozesses auf die vollständige Separation der benachbarten Avalache- Photodioden verzichtet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Wirkung der Verarmungselektrode durch die Bereitstellung eines dotierten Bereiches im Halbleitersubstrat verstärkt werden. Der dotierte Bereich ist seitlich neben der Löschwider- Standsschicht vorgesehen und entsprechend dem zweiten Dotierungstyp dotiert. Vorteilhafterweise wird damit (neben der separierten Verarmungselektrode) eine weitere Möglichkeit erreicht, den isolierenden, verarmten Teil des Halbleitersubstrats mit kleineren Spannungen zu verarmen. Das zwischen der p-dotierten Schicht und der (den) benachbarten n-dotierten
Schicht (en) entstehende build-in-Potential führt zu einer intrinsischen Raumladungszone, die gerade in dem schwach dotierten Halbleitersubstrat eine signifikante Ausdehnung hat. Wegen der wurzeiförmigen Abhängigkeit der Ausdehnung der Raumladungszone von der Spannung ist eine solche p-Schicht besonders wirksam, wenn sie sich an der Unterseite des Halbleitersubstrats befindet.
Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf die vorstehend be- schriebene erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode als einzelnes Bauelement beschränkt, sondern umfasst auch einen Avalan- che-Strahlungsdetektor mit mehreren nebeneinander angeordneten Avalanche-Photodioden gemäß der Erfindung. Die Avalanche- Photodioden sind vorzugsweise matrixförmig in geraden Reihen und Spalten oder mit einer regulär hexagonalen Geometrie oder mit einer abgewandelten Geometrie angeordnet. Die regulär he- xagonale Geometrie hat den Vorteil, dass die Avalanche- Photodioden besonders hoher Dichte und wenig Totfläche angeordnet werden können. Vorzugsweise sind die einzelnen Avalanche-Photodioden hierbei parallel mit einem gemeinsamen Verstärker verbunden. Zwar wird dadurch auf die Ortsauflösung des Avalanche- Strahlungsdetektors verzichtet, jedoch bietet eine derartige Anordnung den Vorteil, dass beim Ansprechen einer der Avalanche-Photodioden die anderen Avalanche-Photodioden sensitiv bleiben und damit die Möglichkeit besteht, Photonen zu zählen, wenn sie in verschiedenen Elementen eintreffen. Aus der Stärke des von dem Verstärker gemessenen Signals kann dann auf die Anzahl der angesprochenen Dioden und damit auf die Strahlungsstärke geschlossen werden.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungs- detektors erstreckt sich die obere Diodenschicht (vorzugsweise die Kathodenschicht) der einzelnen Avalanche-Photodioden in lateraler Richtung über mehrere benachbarte Avalanche- Photodioden, wobei die obere Diodenschicht vorzugsweise sämtliche Avalanche-Photodioden erfasst. Die untere Diodenschicht (vorzugsweise die Anodenschicht) der einzelnen Avalanche- Photodioden ist dagegen in dieser Variante jeweils zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden unterbrochen und weist einen Zwischenraum auf. Die obere Diodenschicht wird also in den Zwischenräumen zwischen den benachbarten Avalanche- Photodioden nicht von der unteren Diodenschicht abgeschirmt, so dass die obere Diodenschicht in den Zwischenräumen als Verarmungselektrode wirkt und das Halbleitersubstrat in den Zwischenräumen verarmt, wodurch die benachbarten Avalanche- Photodioden elektrisch voneinander isoliert werden.
Alternativ besteht jedoch die Möglichkeit, dass auch die obere Diodenschicht jeweils zwischen den benachbarten Avalanche- Photodioden unterbrochen ist, wobei dann in den Zwischenräumen eine separate Verarmungselektrode angeordnet ist, um das Halbleitersubstrat in den Zwischenräumen zu verarmen. Bei einer matrixförmigen Anordnung der einzelnen Avalanche-Photo- dioden können dann auch die Verarmungselektroden gitterförmig angeordnet und unabhängig von den Avalanche-Photodioden ange- steuert werden.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungs- detektors sind die einzelnen Avalanche-Photodioden über eine gemeinsame Anschlussleitung mit dem Verstärker verbunden, wo- bei die Anschlussleitung die gemeinsame obere Diodenschicht kontaktiert, die sämtliche Avalanche-Photodioden gemeinsam haben.
Es besteht jedoch alternativ die Möglichkeit, dass die ein- zelnen Avalanche-Photodioden über mehrere parallele Anschlussleitungen mit dem Verstärker verbunden sind, wobei die einzelnen Anschlussleitungen jeweils die obere Diodenschicht in der Umgebung der jeweiligen Avalanche-Photodioden kontaktieren. Dies bietet den Vorteil, dass entlang der oberen Dio- denschicht nur geringere Spannungsabfälle auftreten, da das
Signal direkt über die nächstgelegenen Anschlussleitungen abgeführt wird.
Weiterhin ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgese- hen, dass die benachbarten Avalanche-Photodioden optisch voneinander isoliert sind, um ein optisches Übersprechen zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden zu verhindern. Diese optische Isolation besteht vorzugsweise aus Isolationsgräben, die zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden geätzt sind und in den Avalanche-Photodioden generierte Photonen absorbieren oder reflektieren. Die Isolationsgräben können hierbei Grabenwände aufweisen, die entsprechend dem zweiten Dotierungstyp dotiert sind und/oder auf dem Potential der oberen Dioden liegen. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausfϋhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Avalan- che-Photodiode, einschließlich Löschwiderstand und Koppelkapazität,
Figur 2 die Strom-Spannungs-Kennlinie der Avalanche- Photodiode gemäß Figur 1,
Figur 3 eine Querschnittsansicht eines Teils eines erfin- dungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors, wobei die Querschnittsansicht zwei erfindungsgemäße Ava- lanche-Photodioden zeigt,
Figur 4 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Fi- gur 3 mit einem Träger-Wafer an der Unterseite,
Figur 5 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 4, das durch Wafer-Bonding hergestellt ist,
Figur 6 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 3, wobei das Halbleitersubstrat in den Zwischenräumen zwischen den benachbarten Avalanche- Photodioden nicht vollständig bis zur Unterseite verarmt ist,
Figur 7 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 3, wobei die Kathodenschicht in dem Zwischenraum zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden un- terbrochen ist und die Verarmung durch eine separate Verarmungselektrode erfolgt,
Figur 8 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Fi- gur 3, wobei in dem Zwischenraum zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden eine optische Isolierung vorgesehen ist,
Figur 9 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Fi- gur 3, wobei mehrere Anschlussleitungen vorgesehen sind,
Figur 10 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 3, wobei ein dotierter Bereich vorgesehen ist,
Figur 11 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 5, wobei zusätzlich für jede Diode jeweils ein Verstärker vorgesehen ist.
Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode 1, die in einem Avalanche-Strahlungs- detektor mit zahlreichen weiteren Avalanche-Photodioden 1 matrixförmig angeordnet ist und zur Strahlungsdetektion dient .
Die Avalanche-Photodiode 1 besteht als reales Bauelement aus einer Parallelschaltung einer idealen Avalanche-Diode AD mit einer idealen Diodenkapazität CD, die zusammen zwischen einem Ausleseknoten 2 (virtuelle Masse) und einem Umladeknoten 3 geschaltet sind.
Weiterhin weist die Avalanche-Photodiode 1 als reales Bauelement eine Parallelschaltung aus einem idealen Löschwiderstand RQ und einer idealen Koppelkapazität Cc auf, wobei diese Pa- rallelschaltung zwischen den Umladeknoten 3 und einen Vorspannungsknoten 4 geschaltet ist.
Der Ausleseknoten 2 ist mit einem Verstärker 5 verbunden, der die Ausgangssignale sämtlicher Avalanche-Photodioden 1 der matrixförmigen Detektorstruktur misst.
Der Vorspannungsknoten 4 wird dagegen im Betrieb mit einer Vorspannung UBIAS beaufschlagt, wobei die Vorspannung UBIAS größer ist als die Durchbruchsspannung UAVALANCHE der Avalanche- Photodiode 1, so dass eine strahlungsgenerierte Erzeugung eines Signalladungsträgers in der Avalanche-Diode sofort einen Lawinendurchbruch erzeugt. Die Avalanche-Photodiode geht dann in dem Kennliniendiagramm gemäß Figur 2 von einem Betriebs- punkt 6 entlang der gestrichelten Linie zu einem Betriebspunkt 7 über. In dem Betriebspunkt 7 begrenzt dann die über dem Löschwiderstand RQ abfallende elektrische Spannung zunehmend den elektrischen Strom, so dass die Avalanche-Photodiode 1 entlang der Kennlinie von dem Betriebspunkt 7 in einen Be- triebspunkt 8 übergeht. In dem Betriebspunkt 8 beträgt der elektrische Strom durch die Avalanche-Photodiode 1 dann nur noch ungefähr 20 μA. Dies hat zur Folge, dass der elektrische Strom zumindest kurzzeitig auf Null fluktuiert, was zum Erlöschen der Lawine führt, so dass die Avalanche-Photodiode 1 von dem Betriebspunkt 8 in den Betriebspunkt 9 und dann in den ursprünglichen Betriebspunkt 6 übergeht.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf Figur 3 der Aufbau der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode 1 beschrieben, wo- bei hier nebeneinander zwei Avalanche-Photodioden dargestellt sind. Eine Vielzahl der Avalanche-Photodioden bilden den erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektor . An einer Unterseite 10 eines Halbleitersubstrats 11 weist die Avalanche-Photodiode 1 eine lateral durchgehende und hoch n- dotierte Kontaktierungsschicht 12 auf.
Auf einer gegenüberliegenden Oberseite 13 befindet sich eine optische Filterschicht 14, wie sie an sich, z. B. zur Reflek- tionsminderung, aus dem Stand der Technik bekannt ist und nicht weiter beschrieben werden muss.
Unter der optischen Filterschicht 14 befindet sich eine hoch p-dotierte Kathodenschicht 15 mit eine Schichtdicke dκ von 10 nm bis wenigen 100 nm. Die Kathodenschicht 15 ist lateral unstrukturiert und geht über die gesamte Breite der Detektorstruktur durch, wie noch eingehend erläutert wird. Im Avalan- che-Strahlungsdetektor ist die Kathodenschicht 15 ist über einen Kontakt 24 mit dem Verstärker 5 verbunden.
Unterhalb der Kathodenschicht 15 befindet sich eine n-dotier- te Anodenschicht 16, wobei die Anodenschicht 16 lateral be- grenzt ist und zwischen den benachbarten Avalanche-Photodio- den 1 einen Zwischenraum 17 freilässt. Der Zwischenraum 17 ermöglicht es, dass die Kathodenschicht 15 das Halbleitersubstrat 11 in dem Zwischenraum 17 zwischen den beiden benachbarten Avalanche-Photodioden 1 vollständig verarmt, so dass die benachbarten Avalanche-Photodioden 1 durch die Verarmung in dem Zwischenraum 17 elektrisch voneinander isoliert werden.
Zwischen der Kathodenschicht 15 und der darunter befindlichen Anodenschicht 16 befindet sich ein Avalanche-Bereich, in dem die einfallende Strahlung einen Lawinendurchbruch erzeugt.
Unterhalb der Anodenschicht 16 befindet sich weiterhin eine Löschwiderstandsschicht 18, die schwach n-dotiert ist. Die Anodenschicht 16 schirmt hierbei die lateral begrenzte Lösch- widerstandsschicht 18 gegenüber der Verarmungswirkung der darüber befindlichen Kathodenschicht 15 ab, so dass die Löschwiderstandsschicht 18 nicht verarmt.
Wichtig ist in diesem Ausführungsbeispiel also, dass die Kathodenschicht 15 in seitlicher Richtung über die Anodenschicht 16 in den Zwischenraum 17 hinausragt, so dass die Kathodenschicht 15 in dem Zwischenraum 17 eine Verarmungselekt- rode bildet, welche das Halbleitersubstrat 11 in dem Zwischenraum 17 verarmt.
Die Anodenschicht 16 weist hierbei eine Dicke dA Im Bereich von Mikrometern auf, während die Löschwiderstandsschicht 18 eine Dicke dR im Bereich von 10 μm bis etwa 100 μm aufweist.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wie- derholungen auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die untere Kontaktierungsschicht 12 durch einen hoch n- dotierten Träger-Wafer gebildet wird.
Bei der Herstellung dieses Ausführungsbeispiels wird die Löschwiderstandsschicht 18 epitaktisch auf die Kontaktie- rungsschicht 12 aufgewachsen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 stimmt wieder weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass unter der Kontaktierungsschicht 12 noch eine Isolierschicht 19 angeordnet ist.
Unter der Isolierschicht 19 ist hierbei wiederum eine Trägerschicht 20 angeordnet, die beispielsweise aus Silizium oder Glas bestehen kann.
Hierbei handelt es sich also um die bereits eingangs erwähnte SOI-Struktur, die durch Wafer-Bonding hergestellt wird.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 stimmt wieder weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugs- zeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Verarmungswirkung der Kathodenschicht 15 in dem Zwischenraum 17 nicht bis zu der Kontaktierungsschicht 12 an der Unterseite 10 reicht. Vielmehr bildet die als Verarmungselektrode wirkende Kathodenschicht 15 in dem Zwischenraum 17 nur eine Verarmungsinsel, die nur teilweise in die Tiefe hineinreicht .
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 stimmt wiederum weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung Bezug ge- nommen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit besteht hierbei darin, dass die Kathoden- Schicht 15 nicht lateral durchgeht, sondern in dem Zwischenraum 17 unterbrochen ist.
Stattdessen ist in dem Zwischenraum 17 eine separate Verarmungselektrode 21 angeordnet, die unabhängig von den Avalan- che-Photodioden 1 angesteuert werden kann, was hier zur Vereinfachung nicht dargestellt ist.
Darüber hinaus sind die Kathodenschichten 15 der benachbarten Avalanche-Photodioden hierbei durch ein Leitungselement 22 elektrisch miteinander verbunden.
Ferner zeigt Figur 8 wieder ein Ausführungsbeispiel, das wiederum weitgehend mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit besteht darin, dass in dem Zwischenraum 17 zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden eine optische Isolierung vorgesehen ist, welche die benachbarten Avalanche- Photodioden optisch voneinander isoliert, um ein optisches Übersprechen zu verhindern.
Die optische Isolierung besteht aus Isoliergräben 23, die in dem Zwischenraum 17 in das Halbleitersubstrat 11 geätzt sind, wobei die Isoliergräben Photonen absorbieren und/oder reflektieren. Schließlich stimmt auch das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9 weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Verbindung mit dem Verstärker 5 nicht durch eine einzige Anschlussleitung erfolgt, sondern durch mehrere Anschlussleitungen 24, 25, die elektrisch parallel geschaltet sind. Hierdurch wird verhindert, dass entlang der Kathodenschicht 15 übermäßig hohe Spannungsabfälle auftreten.
Die Figuren 10 und 11 zeigen weitere Abwandlungen des oben beschriebenen und in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiels. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Die Besonderheit des in Figur 10 gezeigten Ausführungsbeispiels besteht in der Bereitstellung eines p-dotierten Bereiches 25 im unteren Teil des Zwischenraums 17. Der dotierte Bereich 25 erzeugt eine intrinsische Raumladungszone, durch die das Halbleitersubstrat 11 seitlich neben dem Löschwiderstand 18 zusätzlich verarmt wird. Die Raumladungszone ist mit der oberen Raumladungszone überlagert, die durch die Verarmungselektrode 15 seitlich zur Anodenschicht 16 erzeugt wird.
Der p-dotierte Bereich 25 muss aber nicht auf den unteren
Teil des Zwischenraumes 17 begrenzt sein. Durch eine seitliche Ausdehnung dieses Bereiches unterhalb der Anodenschicht 16 kann die Löschwiderstandsschicht 18 weiter begrenzt werden und damit deren Widerstandswert erhöht werden. Bei dem in Figur 11 gezeigten Ausführungsbeispiel sind Auslese-Verstärker 5 auf der Rückseite der Photodiode angeordnet, welche ein ortsaufgelöstes Auslesen von Messsignalen ermögli- chen.
Die bisher beschriebenen geometrischen Anordnungen ermöglichen das zeitlich aufgelöste Zählen von einzelnen Photonen, jedoch nicht deren ortsaufgelöste Erfassung (Imaging) . Um dieses Ziel zu erreichen, muss einer der Ausleseknoten segmentiert werden, wodurch im Idealfall jede Avalanche- Photodiode ihren eigenen Ausleseknoten erhält. Bei größeren feinsegmentierten Detektoren können aus Platzgründen die erforderlichen Anschlussleitungen aber nicht mehr seitlich zu- geführt werden. Mittels dreidimensionaler Integrationstechniken wie Bumpbonding oder SLID (Solid Liquid Interdiffusion, siehe A. Kumpp et al. "Vertical System Integration by using interchip vias and solid liquid interdiffusion bonding", "J. Jap. Appl. Phys.", Bd. 43, Nr. 7A, 2004) können in verschie- denen Technologien hergestellte Systemkomponenten vertikal über Metallkontakte verbunden werden. Ein solches System kann z. B. aus einem Avalanche-Dioden-Sensorchip und einem mehrere Verstärker enthaltenden hochintegrierten Auslese-Chip bestehen. Der Auslese-Chip muss in diesem Fall an der Rückseite angebracht werden, um auf der Oberseite das optische Eintrittsfenster nicht zu verdecken.
Das in Figur 5 illustrierte Ausführungsbeispiel, in dem das Waferbonding-Verfahren verwendet wird, kann gemäß Figur 11 zu einem positionsempfindlichen Detektor verändert werden. Dazu wird die rückseitige Kontaktierungsschicht 12 vorzugsweise vor dem Waferbonding strukturiert eingebracht. Bei der Ausführung mit einer n+ dotierten Kontaktierungsschicht 12 ist eine isolierende p-Schicht 25 in den Zwischenräumen erforder- lieh (Figur 11) . Nach der Prozessierung des Wafers mit den Sensor-Chips wird der Trägerwafer 20 vorzugsweise durch Ätzen entfernt, wobei die Isolierschicht 19 als Ätzstopp dienen kann. In die Isolierschicht werden anschließend Kontaktlöcher geätzt und metallisiert. Mit Hilfe der erwähnten Techniken wird der Auslese-Chip kontaktiert. In Figur 11 sind die Verstärker 5 auf dem Auslese-Chip schematisch dargestellt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen be- vorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.
Bezugs zeichenliste
1 Avalanche-Photodiode
2 Ausleseknoten
3 Umladeknoten
4 Vorspannungsknoten
5 Verstärker
6 Betriebspunkt
7 Betriebspunkt
8 Betriebspunkt
9 Betriebspunkt
10 Unterseite
11 HalbleiterSubstrat
12 Kontaktierungsschicht
13 Oberseite
14 optische Filterschicht
15 Kathodenschicht
16 Anodenschicht
17 Zwischenraum
18 LöschwiderStandsschicht
19 Isolierschicht
20 Trägerschicht
21 Verarmungselektrode
22 Leitungselernent
23 Isoliergräben
24 Kontakt
25 dotierter Bereich
AD Avalanche-Diode
Cc Koppelkapazitat
C0 Diodenkapazität
RQ Löschwiderstand
UBIAS Vorspannung

Claims

ANSPRÜCHE
1. Avalanche-Photodiode (1) zur Detektion von Strahlung, mit a) einem Halbleitersubstrat (11) mit einer Oberseite (13) und einer Unterseite (10), wobei das Halbleitersubstrat
(11) entsprechend einem ersten Dotierungstyp (n~) do- tiert ist, b) einer oberen Diodenschicht (15), die in dem Halbleitersubstrat (11) an der Oberseite (13) angeordnet ist, entsprechend einem zweiten Dotierungstyp (p+) dotiert ist und kontaktierbar ist, c) einer lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16) , die in dem Halbleitersubstrat (11) zwischen der oberen Diodenschicht (15) und der Unterseite (10) des Halblei- terSubstrats (11) angeordnet und entsprechend dem ersten Dotierungstyp (n) dotiert ist, d) einem Avalanche-Bereich, der sich unterhalb der oberen Diodenschicht (15) erstreckt, wobei die zu detektieren- de Strahlung in dem Avalanche-Bereich einen Lawinen- durchbruch auslöst, sowie mit e) einer Kontaktierungsschicht (12), die an der Unterseite (10) des Halbleitersubstrats (11) angeordnet und entsprechend dem ersten Dotierungstyp (n+) dotiert ist, gekennzeichnet: durch f) eine lateral begrenzte Löschwiderstandsschicht (18; RQ) , die in dem Halbleitersubstrat (11) zwischen der unteren Diodenschicht (16) und der Kontaktierungsschicht (12) angeordnet und entsprechend dem ersten Dotierungstyp (n) dotiert ist, wobei die Löschwiderstandsschicht (18; RQ) den strahlungsgenerierten Lawi- nendurchbruch in dem Avalanche-Bereich löscht, sowie g) eine Verarmungselektrode (15; 21), die zumindest teilweise seitlich zu der lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16) angeordnet und entsprechend dem zweiten Dotierungstyp (p) dotiert ist, so dass die Verarmungselektrode (15; 21) das Halbleitersubstrat (11) seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16) verarmt, während die Löschwiderstandsschicht (18; RQ) von der unteren Diodenschicht (16) gegenüber der Verarmungs- elektrode (15; 21) abgeschirmt wird und deshalb nicht oder nur teilweise verarmt ist.
2. Avalanche-Photodiode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Diodenschicht (15) mit einem Seitenabschnitt seitlich über die lateral begrenzte untere Diodenschicht (16) hinausragt und mit dem hinaus ragenden Seitenabschnitt die Verarmungselektrode bildet.
3. Avalanche-Photodiode (1) nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Verarmungselektrode (21) von der oberen Diodenschicht (15) getrennt ist.
4. Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine optische Filterschicht (14), die auf die Oberseite (13) aufgebracht ist.
5. Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die obere Diodenschicht (15) und/oder die Kontaktierungsschicht (12) a) in lateraler Richtung unterbrechungsfrei über die gesamte Breite der Avalanche-Photodiode (1) erstreckt und/oder b) lateral unstrukturiert ist.
6. Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die optische Filterschicht (14) unterbrechungsfrei über den Avalanche- Bereich (3) erstreckt.
7. Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschwiderstands- schicht (18; RQ) einen so großen Widerstandswert aufweist, dass der Strom in dem Avalanche-Bereich bei einem Lawinen- durchbruch zeitweilig abstirbt und damit den Lawinendurch- bruch beendet .
8. Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die obere Diodenschicht (15) eine Kathodenschicht ist, während die untere Diodenschicht (16) eine Anodenschicht ist, oder b) dass die obere Diodenschicht (15) eine Anodenschicht ist, während die untere Diodenschicht (16) eine Katho- denschicht ist.
9. Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein an der Oberseite (13) angeordnetes Strahlungseintrittsfenster zur Aufnahme der zu de- tektierenden Strahlung.
10. Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungs- schicht (12) ein hochdotierter Wafer ist, auf den die Lösch- Widerstandsschicht aufgebracht ist.
11. Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet: durch eine Trägerschicht, die an der Unterseite (10) der Kontaktierungsschicht (12) angeordnet ist und die Avalanche-Photodiode (1) mechanisch trägt.
12. Avalanche-Photodiode (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht Silizium, Siliziumdioxid, Glas, Saphir, eine Keramik und/oder ein hochdotiertes Halbleitermaterial umfasst.
13. Avalanche-Photodiode (1) nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Isolierschicht (19), die zwischen der Kontaktierungsschicht (12) und der Trägerschicht angeordnet ist.
14. Avalanche-Photodiode (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus Siliziumdioxid besteht.
15. Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (11) mindestens ein Dotierungsprofil vom ersten Dotierungstyp aufweist.
16. Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Halbleitersubstrat (11) seitlich neben der Löschwiderstandsschicht (18; RQ) ein dotierter Bereich (25) vorgesehen ist, in dem das Halbleitersubstrat (11) entsprechend dem zweiten Dotierungstyp dotiert ist.
17. Avalanche-Strahlungsdetektor, der eine Vielzahl von Avalanche-Photodioden (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
18. Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Avalanche-Photodioden (1) parallel mit einem gemeinsamen Verstärker verbunden sind.
19. Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, a) dass sich die obere Diodenschicht (15) der einzelnen Avalanche-Photodioden (1) in lateraler Richtung über mehrere benachbarte Avalanche-Photodioden (1) erstreckt, b) dass die untere Diodenschicht (16) der einzelnen Avalanche-Photodioden (1) jeweils zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) unterbrochen ist und ei- nen Zwischenraum (17) aufweist, c) dass die obere Diodenschicht (15) das Halbleitersubstrat (11) in dem Zwischenraum (17) zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) verarmt und die benachbarten Avalanche-Photodioden (1) dadurch elekt- risch voneinander isoliert.
20. Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Avalanche-Photodioden (1) über eine gemeinsame Anschlussleitung mit dem Ver- stärker verbunden sind, wobei die Anschlussleitung die gemeinsame obere Diodenschicht (15) kontaktiert.
21. Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Avalanche- Photodioden (1) über mehrere parallele Anschlussleitungen mit dem Verstärker verbunden sind, wobei die einzelnen Anschlussleitungen jeweils die obere Diodenschicht (15) in der Umgebung der jeweiligen Avalanche-Photodiode (1) kontaktieren.
22. Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Anschlussleitungen die obere Diodenschicht (15) jeweils in dem Zwischenraum (17) zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) kontak- tieren.
23. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Verarmungselektroden der einzelnen Avalanche- Photodioden (1) jeweils von der oberen Diodenschicht
(15) getrennt sind, b) dass die Verarmungselektroden jeweils in den Zwischenräumen zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) angeordnet sind, c) dass die Verarmungselektroden gemeinsam mit einer Spannungsquelle verbunden sind, und/oder d) dass die oberen Diodenschichten der benachbarten Avalanche-Photodioden (1) jeweils durch eine Leitung miteinander verbunden sind, die den Zwischenraum (17) zwi- sehen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) überbrückt .
24. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 17 bis 23, gekennzeichnet durch eine optische Isolation zwi- sehen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) , um ein optisches Übersprechen zwischen den benachbarten Avalanche- Photodioden (1) zu verhindern.
25. Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Isolation aus Isolationsgräben (23) besteht, die zwischen den benachbarten Avalanche- Photodioden (1) geätzt sind und in den Avalanche-Photodioden (1) generierte Photonen absorbieren oder reflektieren.
26. Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsgräben (23) Grabenwände aufweisen, die entsprechend dem zweiten Dotierungstyp (p) dotiert sind und/oder auf dem Potential der oberen Dioden- schicht (15) liegen.
27. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Avalanche- Photodioden (1) einzeln mit jeweils einem Verstärker verbun- den sind.
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