JPH053145B2 - - Google Patents

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JPH053145B2
JPH053145B2 JP50226383A JP50226383A JPH053145B2 JP H053145 B2 JPH053145 B2 JP H053145B2 JP 50226383 A JP50226383 A JP 50226383A JP 50226383 A JP50226383 A JP 50226383A JP H053145 B2 JPH053145 B2 JP H053145B2
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JP
Japan
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radiation
detection
contact
layer
detector
Prior art date
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JP50226383A
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Japanese (ja)
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JPS59501033A (en
Inventor
Sutefuan Dee Gaarema
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
Application filed by Hughes Aircraft Co filed Critical Hughes Aircraft Co
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Publication of JPS59501033A publication Critical patent/JPS59501033A/en
Publication of JPH053145B2 publication Critical patent/JPH053145B2/ja
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Description

請求の範囲 1 前面及び背面を有し所定の周波数レンジの放
射線に対して透明な基板と、 前記基板の前面に隣接した背面検出コンタクト
と、 前記背面検出コンタクトを覆う前面検出コンタ
クトと、 前記前背面検出コンタクト間に介在され、前記
前背面検出コンタクトの一方に隣接している検出
層と、 前記前背面検出コンタクト間に介在され、前記
前背面検出コンタクトの他方に隣接している阻止
層とを具備する放射線検出器であつて、 前記検出層、前記背面検出コンタクト及び前記
前面検出コンタクトは第1導電形の半導体物質か
らなり、前記検出層はその層を通る入射線が全て
吸収されるような不純物濃度を有し、前記前背面
検出コンタクトは前記検出層に比較して高い導電
性を有するような不純物濃度を有し、 前記放射線検出器が前背面照射される放射線に
対して感度を有するように、前記検出器に入射し
た放射線は前記基板及び前面検出コンタクトを通
過して検出層に導かれる放射線検出器。 2 前記検出層は通過する所定の周波数レンジの
放射線の略全てを吸収するような不純物濃度を有
し、ガンマ線に感度を有しないように十分薄い厚
みを有する請求の範囲第1項に記載の放射線検出
器。 3 前記阻止層はその不純物帯を荷電キヤリアが
流れるのを防止するような十分に低濃度の不純物
を有する第1導電型の半導体である請求の範囲第
2項に記載の放射線検出器。 4 前記阻止層はその不純物帯を荷電キヤリアが
流れるのを防止するような十分に低濃度の不純物
を有する第2導電型の半導体物質である請求の範
囲第2項又は第3項に記載の放射線検出器。 5 前記阻止層は前記前面検出コンタクトに隣接
し、前記検出層は前記背面検出コンタクトに隣接
している請求の範囲第4項に記載の放射線検出
器。 明細書 背 景 本発明は放射線検出器に係り、特に長波長の赤
外線放射(LWIR)の検出に適用可能で感度の向
上した背面照射型の放射線検出器に関する。 一般に高品質の放射線検出器を設計構成する際
には、所望範囲周波数の入射線に可能な限り高感
度な検出器を製作することが望まれている。一般
に感度を制限している原因は暗電流として知られ
ている現像である。この現像は独立にではあるが
同時に放射線検出器に起る多数の異なるメカニズ
ムによつて生じる。しかしながら、このメカニズ
ムは入射線の有無と無関係に検出器を通過して流
れる電流に起因している。このように十分な放射
線の照射がない場合に流れる電流によつて暗電流
が生じる。 検出感度は検出器を流れる暗電流の量に直接比
例して低下する。暗電流があればその電流密度に
比例してノイズが発生するので、その量により検
出器の信号対雑音比(SN比)が減少してしまう。
従つて完全ではないまでも暗電流のメカニズムを
除去すれば放射線検出器の感度を顕著に向上せし
めることができる。 例えば通常よく知られているように熱電荷キヤ
リアにより暗電流が発生する。ドナー不純物形の
放射線検出器の場合には熱エネルギーの吸収によ
り不純物原子から電子が電離する。この電離した
電子は不純物レベルから結晶格子の伝導帯に移
る。その電子は電場によつて放射線検出器の正コ
ンタクトへ移動する。上記電場は放射線検出器に
印加された電位差によつて発生される。更に電子
は負コンタクトから注入される。従つて入射線に
よつて発生される電流とは独立に放射線検出器に
暗電流が流れる。 熱での発生メカニズムによる暗電流を防止する
方法は周知である。そのメカニズムが動作するに
は熱エネルギーが必要であるので、放射線検出器
の温度を絶対零度付近に低下せしめれば上記メカ
ニズムを凍結せしめることができる。従つて、放
射線吸収での電離による伝導帯中の不純物帯電子
の比率が増し、結果として入射線に対する検出器
感度が増大する。 他の暗電流メカニズムとしてキヤリア発生を生
ずるガンマ放射が知られている。通常の検出器は
所望の周波数検出領域以外の周波数を有する入射
線にできる限り感度が低くなるように設計構成さ
れている。しかしながら、所定の周波数の入射線
はある比率で実際の放射線検出器に吸収される。
ガンマ線吸収によつて発生される高エネルギーの
荷電キヤリアによつて、更に荷電キヤリアが電子
衝突により発生する。この荷電キヤリア増殖によ
り暗電流が発生する。結果として、ガンマ線を十
分に浴びる環境で動作する放射線検出器の場合に
は暗電流を発生するガンマ線が特に重要である。 大部分の通常の放射線検出器の場合にはこのガ
ンマ線に対する感度は高められる。例えば、入射
線を吸収するために大容積で低不純物濃度の放射
線検出領域が用いられる。検出領域の不純物帯に
印加されたバイアス電圧により通常の電流が流れ
るのを禁止するために低伝導率の検出領域は低不
純物濃度となつている。検出領域が大容積である
と、放射線吸収効率を維持するために必要な低不
純物濃度が補償される。しかしながら、この結果
検出器のガンマ線感度が上昇する。検出領域が大
容積となれば、ガンマ線が吸収される確率が増
す。結果的に従来の大部分の放射線検出器はある
量のガンマ線が存在すると誤動作を起してしま
う。 上述したように、暗電流の発生するメカニズム
は種々存在する。このメカニズムはかなり知られ
ていて、その動作を禁示する方法も解明されてい
る。一方、不純物帯の伝導メカニズムはそれ程理
解されていない。 高感度の放射線検出器を設計製作するに際して
は、その検出器が広範囲に適用できることが望ま
しい。すなわち所定の単一放射線の波長検出が可
能で、複数の放射源像を高分解能で得ることが可
能であることである。このように放射線検出器は
別々の装置として適用可能であると同時に高密度
な焦点面アレイ(FPA)として使用可能でなけ
ればならない。更に、FPAの使用に関してはハ
イブリツドな薄膜回路やモノリシツクな電荷結合
素子(CCD)を含む広範囲な読出し機構と互換
性を有していなければならない。FPAと一緒に
ハイブリツド読出し機構を使用するには一般に検
出器が逆照射あるいは背面照射モードで動作可能
である必要がある。 発明の概要 従つて本発明は所望の周波数の入射線に対して
感度がよく、広範囲の応用に容易に適用できる放
射線検出器を提供することを目的とする。 上記目的は所定の周波数範囲の放射線に対して
略透明である基板の表面に近接した背面検出コン
タクトと、前記背面検出コンタクト上に設けられ
る検出層及び不純物帯伝導阻止層と、前記検出層
及び不純物帯伝導阻止層上に設けられる前面検出
コンタクトとを設けることにより達成される。前
記前面検出コンタクトは更に検出層の放射線検出
領域を介して背面検出コンタクトと電気的に接続
される。上記構成によれば放射線吸収電離による
荷電キヤリアの発生を検出できる。 従つて、本発明によれば、放射線検出器に流れ
る暗電流を十分に減少せしめることにより所望の
周波数範囲内の入射線に対する感度を顕著に向上
せしめる利点がある。従来の検出器に比較して小
容積の検出領域を用いてガンマ線に対する感度を
低下せしめることにより検出器感度は顕著とな
る。阻止層を用いて検出領域の不純物帯伝導を十
分に禁止することによつて、所望の周波数範囲内
の放射線感度は向上する。チヨツプ状のあるいは
パルス状の入射線を用いて検出器の応答時間を減
少せしめて動作周波数帯幅を拡張することによつ
て上記検出感度を顕著に向上せしめてもよい。 本発明の別の利点は、背面照射及び前面照射の
どちらのモードでも入射線を受けることができる
ことである。 本発明の更に別の利点は、従来よく知られた製
造ステツプのみを用いて検出器を製造できること
である。 更に本発明は複数の検出器が分離されることな
く一個の装置として共通の基板上に形成され、従
つてモノリシツク基板に放射線検出器を焦点面ア
レイとして形成できるという利点をも有する。 また極めて集積化された放射線検出用の焦点面
アレイを容易に製作できることも本発明の利点で
ある。本発明の検出器の構造によれば、別の製造
工程あるいは電気的な分離構造を導入することな
く前面検出コンタクトを互いに電気的に分離でき
る。更に各検出器の背面検出コンタクトに電気接
続するために単一のメタルコンタクトが多数の放
射線検出器に対して共通に用いられる。従つて放
射線検出器の前面を最大限に使用できる。同様
に、背面照射モードで検出器を使用するので前面
に放射線に透明な窓を設ける必要がなくなり放射
線検出器の前面を有効に使用できる。 更に、焦点面アレイで用いられるモノリシツク
CCDあるいはハイブリツト読出し構造のどちら
かを利用する放射線検出アレイを容易に使用でき
ることも本願の利点である。
Claim 1: A substrate having a front surface and a back surface and transparent to radiation in a predetermined frequency range, a back surface detection contact adjacent to the front surface of the substrate, a front surface detection contact covering the back surface detection contact, and the front surface and the back surface. a detection layer interposed between the detection contacts and adjacent to one of the front and rear detection contacts; and a blocking layer interposed between the front and rear detection contacts and adjacent to the other of the front and rear detection contacts. a radiation detector, wherein the detection layer, the back detection contact and the front detection contact are made of a semiconductor material of a first conductivity type, and the detection layer is doped with impurities such that all incident radiation passing through the layer is absorbed. the front-back detection contact has a high conductivity compared to the detection layer, and the radiation detector is sensitive to front-back irradiation radiation; , a radiation detector in which radiation incident on the detector passes through the substrate and the front detection contact and is guided to the detection layer. 2. The radiation according to claim 1, wherein the detection layer has an impurity concentration such that it absorbs substantially all of the radiation in a predetermined frequency range that passes therethrough, and has a thickness that is sufficiently thin so as not to be sensitive to gamma rays. Detector. 3. A radiation detector according to claim 2, wherein the blocking layer is a semiconductor of the first conductivity type having a sufficiently low concentration of impurities to prevent charged carriers from flowing through the impurity band. 4. Radiation according to claim 2 or 3, wherein the blocking layer is a semiconductor material of the second conductivity type having a sufficiently low concentration of impurities to prevent the flow of charged carriers through its impurity band. Detector. 5. The radiation detector of claim 4, wherein the blocking layer is adjacent to the front detection contact and the detection layer is adjacent to the back detection contact. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a radiation detector, and particularly to a back-illuminated radiation detector that is applicable to the detection of long wavelength infrared radiation (LWIR) and has improved sensitivity. In general, when designing and constructing high quality radiation detectors, it is desired to fabricate a detector that is as sensitive as possible to incident radiation in a desired range of frequencies. What generally limits sensitivity is development, known as dark current. This development is caused by a number of different mechanisms that occur independently but simultaneously at the radiation detector. However, this mechanism is due to the current flowing through the detector regardless of the presence or absence of incident radiation. A dark current is generated by the current that flows when there is no sufficient radiation irradiation. Detection sensitivity decreases in direct proportion to the amount of dark current flowing through the detector. If there is a dark current, noise will be generated in proportion to the current density, and the amount of dark current will reduce the signal-to-noise ratio (SN ratio) of the detector.
Therefore, if the dark current mechanism is eliminated, although not completely, the sensitivity of the radiation detector can be significantly improved. For example, as is commonly known, dark current is generated by thermal charge carriers. In the case of a donor impurity type radiation detector, electrons are ionized from impurity atoms by absorption of thermal energy. These ionized electrons move from the impurity level to the conduction band of the crystal lattice. The electrons are moved by the electric field to the positive contact of the radiation detector. The electric field is generated by a potential difference applied to the radiation detector. Further electrons are injected from the negative contact. A dark current therefore flows through the radiation detector independently of the current generated by the incident radiation. Methods of preventing dark current due to thermal generation mechanisms are well known. Because the mechanism requires thermal energy to operate, the mechanism can be frozen by lowering the temperature of the radiation detector to near absolute zero. Therefore, the proportion of impurity band electrons in the conduction band due to ionization upon radiation absorption increases, resulting in an increase in the sensitivity of the detector to the incident radiation. Gamma radiation, which causes carrier generation, is known as another dark current mechanism. Conventional detectors are designed and constructed to be as insensitive as possible to incident radiation having frequencies outside the desired frequency detection range. However, an incident radiation of a given frequency is absorbed by a practical radiation detector in a certain proportion.
Due to the high energy charge carriers generated by gamma ray absorption, further charge carriers are generated by electron bombardment. Dark current is generated by this multiplication of charged carriers. As a result, gamma rays that generate dark current are of particular importance in the case of radiation detectors operating in environments that are heavily exposed to gamma rays. In the case of most conventional radiation detectors, the sensitivity to this gamma ray is increased. For example, a large volume, low impurity concentration radiation detection region is used to absorb the incident radiation. The low conductivity sensing region has a low impurity concentration to inhibit normal current flow due to the bias voltage applied to the impurity band in the sensing region. The large volume of the detection area compensates for the low impurity concentration needed to maintain radiation absorption efficiency. However, this results in an increase in the gamma sensitivity of the detector. If the detection area has a large volume, the probability that gamma rays will be absorbed increases. As a result, most conventional radiation detectors malfunction in the presence of a certain amount of gamma rays. As mentioned above, there are various mechanisms by which dark current occurs. This mechanism is fairly well known, and methods for inhibiting its operation have also been elucidated. On the other hand, the conduction mechanism of the impurity band is not so well understood. When designing and manufacturing a highly sensitive radiation detector, it is desirable that the detector can be used in a wide range of applications. That is, it is possible to detect the wavelength of a single predetermined radiation and to obtain images of a plurality of radiation sources with high resolution. Thus, radiation detectors must be applicable as separate devices and at the same time usable as high-density focal plane arrays (FPAs). Furthermore, the use of FPAs must be compatible with a wide range of readout mechanisms, including hybrid thin film circuits and monolithic charge-coupled devices (CCDs). Use of a hybrid readout mechanism with an FPA generally requires that the detector be capable of operating in back-illuminated or back-illuminated mode. SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a radiation detector that is sensitive to incident radiation of a desired frequency and that can be easily adapted to a wide range of applications. The above object is to provide a rear detection contact close to the surface of a substrate that is substantially transparent to radiation in a predetermined frequency range, a detection layer and an impurity band conduction blocking layer provided on the rear detection contact, and a detection layer and an impurity band conduction blocking layer provided on the rear detection contact. This is achieved by providing a front detection contact provided on the band conduction blocking layer. The front detection contact is further electrically connected to the back detection contact via the radiation detection area of the detection layer. According to the above configuration, the generation of charge carriers due to radiation absorption ionization can be detected. Therefore, the present invention has the advantage of significantly improving the sensitivity to incident radiation within a desired frequency range by sufficiently reducing the dark current flowing through the radiation detector. Detector sensitivity is significantly increased by using a smaller detection area compared to conventional detectors and reducing sensitivity to gamma rays. By sufficiently inhibiting impurity band conduction in the detection region using a blocking layer, radiation sensitivity within a desired frequency range is improved. The detection sensitivity may be significantly improved by using a chopped or pulsed incidence beam to reduce the response time of the detector and extend the operating frequency bandwidth. Another advantage of the present invention is that it can receive incident radiation in both back-illuminated and front-illuminated modes. Yet another advantage of the present invention is that the detector can be manufactured using only conventional manufacturing steps. Furthermore, the present invention has the advantage that a plurality of detectors can be formed as a single device on a common substrate without being separated, thus allowing radiation detectors to be formed as a focal plane array on a monolithic substrate. It is also an advantage of the present invention that highly integrated focal plane arrays for radiation detection can be readily fabricated. The detector structure of the present invention allows the front detection contacts to be electrically isolated from each other without introducing additional manufacturing steps or electrical isolation structures. Additionally, a single metal contact is commonly used for multiple radiation detectors to electrically connect to the backside detection contact of each detector. Therefore, the front surface of the radiation detector can be used to the maximum extent. Similarly, since the detector is used in back-illuminated mode, there is no need to provide a radiation-transparent window on the front surface, and the front surface of the radiation detector can be used effectively. In addition, the monoliths used in focal plane arrays
It is also an advantage of the present application that radiation detection arrays utilizing either CCD or hybrid readout structures can be readily used.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

本願の他の利点は添付図面とともに以下の詳細
な説明を参照することにより明確に理解されるだ
ろう。図面においては同一参照符号は図面を通し
て同一の部分を示している。 第1図は本発明の好ましい実施例による背面照
射型の放射線検出器の断面図である。第2図は本
発明の他の実施例による前背面照射型の放射線検
出器の断面図である。第3図は本発明の他の実施
例による別の背面検出コンタクト接続を用いた背
面照射型の放射線検出器の断面図である。第4図
は第1図のタイプの放射線検出器を用いハイブリ
ツド読出し構造で使用可能なモノリシツク基板の
放射線検出器の焦点面アレイの部分上面図であ
る。
Other advantages of the present application will be clearly understood by reference to the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same parts throughout the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a back-illuminated radiation detector according to a preferred embodiment of the present invention. FIG. 2 is a sectional view of a front-to-back illumination type radiation detector according to another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of a back-illuminated radiation detector using an alternative back-sensing contact connection according to another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a partial top view of a monolithic substrate radiation detector focal plane array usable in a hybrid readout structure using a radiation detector of the type of FIG.

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明による放射線検出器は広範囲の応用に適
している。本発明を記載しその動作を理解するた
めに、本発明が基本的に目指している動作モード
における使用に対して構成された放射線検出器が
以下に述べられる。本発明の種々の変形例は後述
される。この実施例の記載は本発明を表わし、更
に本発明の範囲を決める請求の範囲の基礎を与え
る。 第1図には参照番号10で示される背面照射型
の放射線検出器の断面図が示されている。放射線
検出器10は背面照射モードで動作し、更に長波
長の赤外(LWIR)線に特に感度を有している。
一般にLWIR線は約14〜30μの波長域に対応する
周波数を有する。従つて砒素(As)はLWIR線
の波長エネルギに対応する励起エネルギーを有す
るので検出器の主な不純物として用いられる。 放射線検出器10は検出層18、阻止層20、
基板12上に形成される前面及び背面の検出コン
タクト22,16とからなる。前面及び背面金属
コンタクト26,28を設けて検出器10に電気
的接触がなされる。酸化層24により金属コンタ
クト26,28と検出器10との間の電気的絶縁
がなされる。バイアスリセツト/センスアクセス
回路70が検出器10に関して設けられる。矢印
48で示されるLWIR線は検出器10の背面に入
射し、基板12及び背面検出コンタクト16を通
つて検出層18の放射線検出領域19に至る。そ
こでLWIR線の存否が検出される。従つて本発明
は少なくとも背面照射モードで有効に動作できる
ようにしている。 更により詳しく構成要素を説明すれば、LWIR
線に十分に透明な基板12上に放射線検出器10
が設けられる。好ましくは、基板12は約500μ
の厚みを有するボロンがドープされたシリコンで
ある。ボロンはあるLWIR線を吸収するが、不純
物濃度を約1×1014atoms/cm3以下に維持するこ
とによつて基板12を略透明に保つことができ
る。基板の結晶格子構造の方位は基板12の表面
上に形成されたエピタキシヤル層が通常の異方性
エツチングされるように選ばれる。好ましくは基
板12は標準的な〈100〉のミラー結晶格子方位
に定められる。 背面検出コンタクト16は基板12の前面に形
成される。背面検出コンタクト16は次の2つの
要素を考慮して定めなければならない。第1に高
い導電性を有し放射線検出器10の背面コンタク
トとして機能するように、背面検出コンタクト1
6は高濃度にドープされねばならない。第2に
LWIR線をそれ程減少せしめずに透過せしめるよ
うに背面コンタクト16は薄くかつ低濃度にドー
プされていなければならない。従つて背面検出コ
ンタクト16は約0.2μの厚みを有し約5×1018
atoms/cm3の不純物濃度を有するイオン注入(イ
ンプラ)層であることが好ましい。また砒素は放
射線検出器10の不要な汚染を防止するためには
好ましい不純物である。 背面検出コンタクト16に近接しかつ電気的に
接続された背面検出コンタクトグリツド14が基
板12の前面に形成される。背面検出グリツド1
4は埋込み配線として働き、従つて背面検出コン
タクト16と同じかそれとも高い導電率を有して
いる。しかしながら、コンタクトグリツド14は
そのドープ濃度あるいは厚みに制限を受けない。
LWIR線を透過する必要はないからである。グリ
ツド14は好ましくは約0.4μの厚みを有し砒素濃
度が約2×1019atoms/cm3 のイオン注入層であ
る。しかし検出コンタクトグリツド14のドープ
濃度はその上にエピタキシヤル層を形成するのを
防げるような高濃度であつてはならない。通常基
板12の前面はアニールされその後に背面検出コ
ンタクト16と検出グリツド14が形成される。
均一なエピタキシヤル層の成長を防げる表面欠陥
を除去するためである。検出グリツド14及び背
面検出コンタクト16を覆うように基板12の前
面に検出層18が形成される。背面検出コンタク
ト16を覆う検出層18の部分は略放射線検出器
10の放射線検出領域19を形成する。検出領域
19のドープ濃度及び厚みは相互に依存的ではあ
るが最大放射線吸収効率(代表的には約85%)を
達成するように定められている。更に検出領域1
9の厚みはガンマ線の検出感度に直接比例するこ
とを考慮しなければならない。なぜならば厚みは
薄いが高濃度にドープされた検出領域19に比較
して、厚い検出領域ではガンマ線が不純物電子を
電離する統計的確率が増加するためである。特に
検出器10の誤動作を生ぜしめるためガンマ線に
感度があることは好ましくはない。このようなこ
とを考慮して、検出層18は約7μの厚み(一般
的には5〜10μの厚み)を有し1×1018atoms/
cm3の不純物濃度を有する砒素ドープの薄いエピタ
キシヤル層であることが好ましい。その場合の放
射線吸収効率は約90%以上である。 阻止層20は好ましくは検出層18の前面にエ
ピタキシヤル層として形成される。従つて阻止層
20は前面検出コンタクト22と検出層18間に
設けられる。本発明の他の観点から、不純物帯伝
導として知られる暗電流メカニズムの動作を十分
に防止するために放射線検出器10内に阻止層2
0が設けられる。手短かに言えば、このメカニズ
ムには印加電場に応じて、結晶格子の不純物帯か
ら負極に向つて不純物帯のホールが流れる現像も
含まれている。この伝導は不純物帯内で起こるの
で、電流が流れるためには等しい数のホールが正
極である前面検出コンタクト22から注入されね
ばならない。しかしながら阻止層20の不純物濃
度が検出層18の濃度より十分低ければ、正電位
コンタクトと検出層18間に阻止層20を介在せ
しめることによりホールの注入を十分防止するこ
とができる。このことにより不純物帯の伝導メカ
ニズムの伝導路を封じ、暗電流を直接減少せしめ
ることができる。従つて阻止層20の不純物濃度
は好ましくは1×1015atoms/cm3以下である。砒
素は異種の不純物で検出層18が不要に汚染され
るのを簡単に防止できる好ましい不純物である。
阻止層20の厚みは前面検出コンタクトと検出層
18間の直接的な電気接触を防止するのに十分で
あればよい。阻止層の厚みは好ましくは3μであ
る。 前面検出コンタクト22は阻止層20の前面に
近接した薄い高伝導層として形成される。従つて
前面検出コンタクト22は約1×1020atoms/cm3
の不純物濃度を有するように低エネルギのイオン
注入法で形成するのが好ましい。また検出層18
の汚染の可能性を減少せしめるためには砒素が好
ましい不純物である。 約1000Åの厚みを有する酸化層24が阻止層2
0の全面に形成される。この酸化層24を設ける
ことによつて放射線検出器の前面及び背面のメタ
ルコンタクト26,28を各々形成するのに必要
な選択的プロセスが可能となる。これにより特定
位置ぎめされた窓を背面検出コンタクトグリツド
14上に開孔せしめることができる。窓は前面検
出コンタクト22上にも開孔される。前面検出コ
ンタクト22は直に露出されるので別のエツチン
グは不要である。電気的に分離した前面及び背面
のメタルコンタクト26,28は放射線検出器1
0の前面からスパツタにより堆積でき、前面検出
コンタクト22及び背面検出コンタクト14と電
気的に接触される。放射線検出器10の製造を更
に簡略化するために、酸化層24は前面検出コン
タクト22をイオン注入法で形成するときマスク
として使用されてもよい。すなわち酸化膜24が
形成され、その後阻止層20及び背面検出グリツ
ド14の一部はイオン注入法によつて前面検出コ
ンタクト22の形成前に露出される。酸化膜24
が存在するので検出層18及び阻止層20の露出
面にのみイオン注入層が形成される。こうして前
面検出コンタクト22に加えてV字溝コンタクト
層30が形成される。V字溝コンタクト層3は、
放射線検出器10に必ずしも設ける必要はなく必
要に応じて設ければよい。また放射線検出領域1
9から検出層18の厚みの数倍の距離(代表的に
は15倍)程離れて前記V字溝コンタクト層30を
配置すればV字溝コンタクトを実質的に動作不能
とできる。 放射線検出器10を動作せしめるには、背面検
出コンタクト16に対して前面検出コンタクトを
正電位として検出器10に電場を印加する。これ
はバイアスリセツト/センスアクセス回路70に
よつて達成される。この回路70は各放射線検出
器10に設けられる読出し回路の典形部である。
バイアスリセツト/センスアクセス回路は種々の
設計が可能であるが、本質的には同じ動作をす
る。簡単に本発明の実施例に用いられているバイ
アスリセツト/センスアクセス回路を説明する。 バイアスリセツト/センスアクセス回路70は
背面メタルコンタクト28を接地電位に接続する
共通リード32と、前記メタルコンタクト26と
バイアス容量36間を相互接続する出力リード3
4と、バイアスリセツトFET38と、検出セン
スアクセスFET42とを有する。バイアスリセ
ツトFET38を伝導可能とする検出バイアスリ
セツト信号Vsrが印加されると放射線検出器10
に電圧が供給される。すると抵抗40によつて表
わされている小さな固有インピーダンスによつて
制限された電流がバイアス入力線46上の基準電
位Vrから流れ、バイアス容量36を所望の放射
線検出器のバイアス電位に充電する。このバイア
ス電位は検出層18の全放射検出領域に空乏層を
形成するのに十分でなければならない。本発明の
実施例では200mVから300mVのバイアス電位が
必要であつた。印加可能な最大のバイアス電位は
検出器10の検出層18の厚みによつて制限を受
ける。もしもバイアス電位によつて誘起される空
乏層が前面検出コンタクト22から背面検出コン
タクト16に広がれば、検出器10にパンチスル
ー降伏が生じるので最大バイアス電位は制限され
る。従つて空乏層18は検出層18の放射線検出
領域19の略厚み分だけ広がればよい。全くその
厚み分だけ広がるのは好ましくない。 バイアス容量36がバイアス電位に充電される
とバイアスリセツト信号Vsrは除去され、放射線
検出器10に現われる電位差は検出器10に入射
するLWIR線48の量に比例して変化する。即ち
LWIR線48は基板12と背面検出コンタクト1
6を通つて検出層18の放射線検出領域に送られ
る。放射線48は砒素不純物原子に吸収され、電
子は結晶格子の伝導帯に電離される。放射線検出
領域19の空乏層に生成した不純物帯のホールは
印加電場によつて負電位の背面検出コンタクト1
6の方向に送られる。その電流によりバイアス容
量36の電位は低下する。上記電位低下は放射線
検出器10に入射したLWIR線48の強度に依存
して発生された不純物帯のホール数に比例する。
容量36の電位低下はセンス電位出力FET42
によつてセンス出力線44上に緩和されて伝えら
れる。FET42はソースフオロワとして接続さ
れることによりバツフアとして機能する。即ち
FET42のゲートは検出器出力線34に接続さ
れ、ドレインはバイアス基準電位Vr以上の正電
位VDDに接続される。従つてセンス出力線44、
即ちFET42のソースの電位はFET42のゲー
トの電位に略近似している。従つてセンス出力線
44上の電位は放射線検出器10の電位を検知す
るのに使用できる。 第2図を参照して参照符号50で示される前背
面照射型の放射線検出器を説明する。放射線検出
器50は第1図の検出器10とは少々異なるが、
その相異は本質的である本発明の別の実施例であ
る。放射線検出器50の前面より検出層18の放
射線検出領域に放射線を透過せしめるために、前
面の検出/メタルコンタクト構造が用いられてい
る。特に前面検出コンタクト57が阻止層20の
前面に近接して薄い高伝導層として形成されてい
る。前面検出コンタクト57は前面に入射する
LWIR線56に略透明でなければならない。従つ
て前面検出コンタクト57の不純物濃度及び厚み
は背面検出コンタクト16のそれに略類似してい
る。前面検出コンタクトグリツド58は前面検出
コンタクト57に近接しかつ接続された阻止層2
0の前面に形成される。背面検出グリツド14と
同様に前面検出グリツド58は前面検出コンタク
ト57及び前面メタルコンタクト52間の導電接
続線として機能する。従つて、前面検出グリツド
58の不純物濃度及び厚みは背面検出グリツド1
4と略同一である。前面メタルコンタクト52は
放射線検出器50とバイアスリセツト/センスア
クセス回路70間の電気的伝導路を形成するため
に設けられる。しかしながら、前面メタルコンタ
クト52は前面検出グリツド58とのみ略重なり
合うように形成され、前面検出コンタクト57の
前面は露出される。結果的に前面検出窓54によ
り検出器50の前面に入射した放射線50は前面
検出コンタクト57及び阻止層20を通つて検出
層18の放射線検出領域19に導かれる。従つて
前面照射型あるいは背面照射型モードあるいは両
照射型モードで動作できるようになり、本発明の
他の面を表わしている。 放射線検出器50が満足な放射線吸収効率を維
持するためには、検出層18の不純物濃度あるい
は厚みないしはその両方を増加させねばならない
のは明らかである。第1図の放射線検出器10に
おいては、前面メタルコンタクト26は吸収され
ずに検出層18の放射線検出領域を最初に通過し
た放射線48に対して反射体として機能する。こ
の放射線48は反射されて検出層18に戻り、そ
こで再び吸収される第2の機会が与えられる。従
つて第1図の放射線検出器10は必然的に高い放
射線吸収効率を示す。しかしながら第2図の放射
線検出器50では前面メタルコンタクト52は放
射線反射体としては十分に機能することができな
い。従つて放射線検出器50は検出層18の放射
線検出領域を通過するとき背面から入射した放射
線48あるいは前面から入射した放射線56を吸
収する単一の機会しか与えられない。従つてバイ
アス容量36にかかるバイアス電圧値は検出層1
8の厚みの変化を反映しなければならない。 第3図は背面照射型の放射線検出器60の断面
図である。検出器60は簡略化された背面メタル
コンタクト構造を有している。この変形された放
射線検出器60は第1図の放射線検出器10と略
同一である。しかしながら、検出器60の製造を
簡略化するために背面メタルコンタクト構造が変
形されている。特にV字溝のエツチングを完全に
除くことによつて製造プロセスが簡略化されてい
る。代りに前面検出コンタクトグリツド14上の
酸化層24が開孔されて窓が設けられている。阻
止層20の露出表面には高伝導の背面コンタクト
層66が形成されている。コンタクト層66の不
純物濃度及び厚みは前面検出コンタクト22と略
同一である。更に検出器60の製造を簡略化する
ために背面コンタクト層66は前面検出コンタク
ト22と同時に形成され、その後背面メタルコン
タクト64を前面メタルコンタクト26と同時に
形成してもよい。 グリツド14の電位を背面検出コンタクト層1
6の電位より高めることにより背面検出コンタク
トグリツド14と背面コンタクト層66間が導通
する。コンタクト層66の近傍の検出層18と阻
止層20の接合部に形成される遷移領域は狭窄さ
れ、従つて電流のコンダクシヨンが可能となる。
前面検出コンタクト22と背面コンタクト層66
間の距離は、その間に好まざる電流が流れるのを
防止するために阻止層20の厚みよりも厚く(代
表的には15倍厚く)形成されねばならない。 第4図にはモノリシツク基板の焦点面アレイ
(FPA)の一部が示されている。FPAにはマトリ
ツクス状に配置された多数の放射線検出器10が
設けられる。上述した本願の実施例はどれも
FPAに用いることができるが、簡略化のために
本発明の第1図の背面照射型の放射線検出器の実
施例を用いて第4図のFPAを説明する。放射線
検出器10には共通の背面検出コンタクトグリツ
ド14が用いられ、検出アレイを縁どる多数の背
面メタルコンタクト28に共通に電気接続され
る。特に、第4図は放射線検出アレイの3コラム
92,94,96及び背面メタルコンタクト28
の周辺コラム90を示している。検出器の放射線
検出領域19を分離しているサイズ及び距離を含
めてアレイの寸法は前述した以外に重大ではな
い。しかしながら、全ての場合検出器10の前面
検出コンタクト22間は阻止層20が前面検出コ
ンタクト22間を電気的に絶縁するのに十分な程
離れていなければならない。通常10μ離れていれ
ば十分である。今の場合、FPAの前面に検出出
力リード34と共通リード32を有する読出し構
造を形成できるように離れていなければならな
い。通常各前面メタルコンタクト26に接続され
るリセツト/センスアクセス回路70には読出し
構造が含まれている。結果的に得られるハイブリ
ツド構造は背面照射モードで動作される放射線検
出器10が高密度に配置された高集積化されたユ
ニツトとなる。 特殊な応用に対して放射線検出器10を最適化
させるために種々の変形例が可能である。以後放
射線検出器10には検出器50,60も含まれる
とする。通常検出層18に用いられる不純物は
様々に選択できる。例えば検出器10の応答可能
な周波数レンジを3〜5μの赤外領域とするため
にインジウムやガリウムが不純物として使用可能
である。ガリウムは8〜14μの赤外領域にも用い
ることは可能である。種々の周波数を有する電磁
波に放射線検出器10が応答できるようにするた
めに更に他の不純物を用いることも可能である。
従つて本発明の実施例は、LWIR線の検出に焦点
を合わせてなされたが、本発明は赤外線検出器に
限らず一般に放射線の検出器にも適用できる。 従つてP形の放射線検出器を得るために検出層
18及び阻止層20にP形不純物を用いることも
可能である。N形の放射線検出器と同様にP形の
不純物を用いた放射線検出器に対しても同様の動
作原理が適用される。 放射線検出器10の更に重要な変形例として検
出層18に使用された不純物とは逆導電形の不純
物を用いて阻止層20を形成したものがある。こ
の変形例では必然的に検出層18の不純物汚染を
受ける可能性が増すが、逆導電形の阻止層を用い
るとチヨツプあるいはパルス状の入射線に対して
検出反応時間が改良される利点がある。即ち入射
線が無視できないデユーテイサイクルでチヨツプ
された場合に、入射線の強度に比例した出力を得
るために検出器10に必要な時間が十分減少す
る。これはN形検出層18と共にP形阻止層20
を用いることによつてN形阻止層20に必然的に
存在するトラツプされた電子が減少することによ
ると考えられる。同様にN形検出層18と共にN
形阻止層20を用いることによつて、P形阻止層
20に必然的に存在するトラツプされたホールを
減少することによつても達成される。従つて本発
明は十分に高速な応答時間を有する放射線検出器
10を提供する。 更に基板12に対して検出層18と阻止層20
の順序を逆に変形例も考えられる。この変形例に
よると放射線検出器10は背面メタルコンタクト
28に印加された接地基準電位に対して負の基準
電位から動作可能となる。しかしこの変形例では
共通基板12上に形成された隣接する放射線検出
器10の前面検出コンタクト22間の電気的絶縁
性が損なわれてしまう。阻止層20はかなり低不
純物濃度を有しているので、その抵抗率はかなり
高い。従つて阻止層20に前面検出コンタクト2
2を形成すればその高低抗率と隣接する放射線検
出器10の前面検出コンタクト22間の距離とに
よつて十分な電気的絶縁性が得られる。この変形
例で示唆されたように検出層18に前面検出コン
タクト22を形成すれば検出層18の低抵抗率の
ために電気的絶縁性が失なわれてしまう。 最後に、放射線検出器10の基板12は種々の
異なる物質を用いて形成してもよい。この物質は
本発明の実施例で用いられているようにN形ある
いはP形不純物が添加された半導体結晶であつて
もよく、例えばガラスあるいはサフアイアのよう
な非半導体物質であつてもよい。このような物質
は所望の放射線周波数レンジにおいて基板の透明
度を増すため、あるいは放射線検出器10の機械
的強度を増すために用いることができる。 このように入射線に対して高感度であり、広範
囲の応用に容易に適用可能な放射線検出器が開示
された。明らかに上述した本発明の実施例を考慮
して種々の変形が可能である。上述の変形例に加
えて、検出器構造に不純物を拡散により導入する
変形例あるいはメタル導体の代りに導電性を有す
るようにドープされたポリシリコンを用いる変形
例も含まれる。様々な実施例の検出器を製造する
ために必要な製造工程は本来全て従来の工程であ
るが、本発明の本質を不明確にさせないために記
載されていない。従つて、請求の範囲の範囲内に
おいて本発明は特に記述された以外に適用可能で
あると理解されるべきである。
The radiation detector according to the invention is suitable for a wide range of applications. In order to describe the invention and understand its operation, a radiation detector configured for use in the mode of operation to which the invention is fundamentally directed will now be described. Various modifications of the invention will be described below. This example description represents the invention and provides the basis for the claims that further define the scope of the invention. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a back-illuminated radiation detector, designated by the reference numeral 10. Radiation detector 10 operates in a back-illuminated mode and is particularly sensitive to long wavelength infrared (LWIR) radiation.
Generally, LWIR radiation has frequencies corresponding to a wavelength range of approximately 14-30μ. Arsenic (As) is therefore used as the main impurity in the detector since it has an excitation energy that corresponds to the wavelength energy of the LWIR radiation. The radiation detector 10 includes a detection layer 18, a blocking layer 20,
It consists of front and rear detection contacts 22 and 16 formed on a substrate 12. Front and back metal contacts 26, 28 are provided to make electrical contact to the detector 10. Oxide layer 24 provides electrical isolation between metal contacts 26, 28 and detector 10. A bias reset/sense access circuit 70 is provided for detector 10. LWIR radiation, indicated by arrow 48 , is incident on the back side of detector 10 , through substrate 12 and back side detection contact 16 to radiation detection region 19 of detection layer 18 . There, the presence or absence of LWIR lines is detected. Therefore, the present invention is capable of effective operation at least in backlight mode. To explain the components in more detail, LWIR
A radiation detector 10 is mounted on a substrate 12 that is sufficiently transparent to the radiation.
will be provided. Preferably, substrate 12 is about 500μ
Boron-doped silicon with a thickness of . Although boron absorbs some LWIR radiation, the substrate 12 can be kept substantially transparent by maintaining the impurity concentration below about 1×10 14 atoms/cm 3 . The orientation of the crystal lattice structure of the substrate is chosen such that the epitaxial layer formed on the surface of substrate 12 is etched in a conventional anisotropic manner. Preferably, substrate 12 is oriented in a standard <100> mirror crystal lattice orientation. A backside detection contact 16 is formed on the front side of the substrate 12. The rear detection contact 16 must be determined by considering the following two factors. First, the back detection contact 1 has high conductivity and functions as a back contact of the radiation detector 10.
6 must be heavily doped. secondly
Back contact 16 must be thin and lightly doped to allow LWIR radiation to pass through without significant attenuation. Therefore, the back surface detection contact 16 has a thickness of approximately 0.2 μ and a thickness of approximately 5×10 18
Preferably, the layer is an ion implantation layer having an impurity concentration of atoms/cm 3 . Arsenic is also a preferred impurity to prevent unnecessary contamination of the radiation detector 10. A backside sense contact grid 14 is formed on the front side of the substrate 12 adjacent to and electrically connected to the backside sense contacts 16. Back detection grid 1
4 acts as a buried wiring and therefore has the same or higher conductivity than the backside detection contact 16. However, contact grid 14 is not limited in its doping concentration or thickness.
This is because there is no need to transmit LWIR radiation. Grid 14 is preferably an ion implanted layer having a thickness of about 0.4 .mu.m and an arsenic concentration of about 2.times.10.sup.19 atoms/ cm.sup.3 . However, the doping concentration of the sensing contact grid 14 must not be so high as to prevent the formation of an epitaxial layer thereon. Typically, the front side of substrate 12 is annealed and then back side sensing contacts 16 and sensing grid 14 are formed.
This is to remove surface defects that would prevent uniform epitaxial layer growth. A sensing layer 18 is formed on the front side of the substrate 12 overlying the sensing grid 14 and the back sensing contact 16. The portion of the detection layer 18 covering the rear detection contact 16 substantially forms a radiation detection region 19 of the radiation detector 10 . The doping concentration and thickness of the detection region 19 are dependent on each other, but are determined to achieve maximum radiation absorption efficiency (typically about 85%). Furthermore, detection area 1
It must be taken into consideration that the thickness of 9 is directly proportional to the detection sensitivity of gamma rays. This is because the statistical probability that gamma rays will ionize impurity electrons increases in a thicker detection region than in a thinner but highly doped detection region 19. In particular, it is undesirable to be sensitive to gamma rays because it may cause the detector 10 to malfunction. Taking this into consideration, the detection layer 18 has a thickness of about 7μ (generally 5 to 10μ) and has a thickness of 1×10 18 atoms/
Preferably it is an arsenic-doped thin epitaxial layer with an impurity concentration of cm 3 . In that case, the radiation absorption efficiency is about 90% or more. The blocking layer 20 is preferably formed as an epitaxial layer in front of the detection layer 18. A blocking layer 20 is thus provided between the front detection contact 22 and the detection layer 18. In another aspect of the invention, a blocking layer 2 is provided within the radiation detector 10 to substantially prevent the operation of the dark current mechanism known as impurity band conduction.
0 is set. Briefly, this mechanism involves the flow of holes in the impurity band from the impurity band in the crystal lattice toward the negative electrode in response to an applied electric field. Since this conduction occurs within the impurity band, an equal number of holes must be injected from the positive front sensing contact 22 for current to flow. However, if the impurity concentration of the blocking layer 20 is sufficiently lower than the concentration of the detection layer 18, hole injection can be sufficiently prevented by interposing the blocking layer 20 between the positive potential contact and the detection layer 18. This can close the conduction path of the impurity band conduction mechanism and directly reduce the dark current. Therefore, the impurity concentration of the blocking layer 20 is preferably 1×10 15 atoms/cm 3 or less. Arsenic is a preferred impurity that can easily prevent unnecessary contamination of the detection layer 18 with foreign impurities.
The thickness of the blocking layer 20 need only be sufficient to prevent direct electrical contact between the front sensing contact and the sensing layer 18. The thickness of the blocking layer is preferably 3μ. The front sensing contact 22 is formed as a thin highly conductive layer adjacent the front side of the blocking layer 20. Therefore, the front detection contact 22 has a density of approximately 1×10 20 atoms/cm 3
It is preferable to use a low energy ion implantation method so as to have an impurity concentration of . In addition, the detection layer 18
Arsenic is the preferred impurity to reduce the possibility of contamination. An oxide layer 24 having a thickness of about 1000 Å forms the blocking layer 2.
Formed on the entire surface of 0. The provision of this oxide layer 24 allows for the selective processing necessary to form the front and back metal contacts 26 and 28, respectively, of the radiation detector. This allows a specially positioned window to be drilled onto the backside sensing contact grid 14. A window is also drilled over the front detection contact 22. Since the front detection contacts 22 are directly exposed, no separate etching is necessary. The electrically separated front and rear metal contacts 26 and 28 are connected to the radiation detector 1.
It can be deposited by sputtering from the front side of 0 and is in electrical contact with the front sensing contact 22 and the back sensing contact 14. To further simplify the manufacture of radiation detector 10, oxide layer 24 may be used as a mask when forming front detection contact 22 by ion implantation. That is, an oxide layer 24 is formed, and then blocking layer 20 and a portion of backside sensing grid 14 are exposed by ion implantation prior to forming frontside sensing contact 22. Oxide film 24
, the ion implantation layer is formed only on the exposed surfaces of the detection layer 18 and the blocking layer 20. In this way, a V-groove contact layer 30 is formed in addition to the front detection contact 22. The V-shaped groove contact layer 3 is
It is not necessarily necessary to provide the radiation detector 10, and it may be provided as necessary. Also, radiation detection area 1
By arranging the V-groove contact layer 30 at a distance several times the thickness of the detection layer 18 (typically 15 times) from the detection layer 18, the V-groove contact can be made substantially inoperable. To operate the radiation detector 10, an electric field is applied to the detector 10 with the front detection contact at a positive potential relative to the back detection contact 16. This is accomplished by bias reset/sense access circuit 70. This circuit 70 is a typical part of the readout circuit provided in each radiation detector 10.
Bias reset/sense access circuits can be designed in a variety of ways, but operate essentially the same way. A bias reset/sense access circuit used in an embodiment of the present invention will be briefly described. The bias reset/sense access circuit 70 includes a common lead 32 connecting the back metal contact 28 to ground potential, and an output lead 3 interconnecting the metal contact 26 and the bias capacitor 36.
4, a bias reset FET 38, and a detection sense access FET 42. When a detection bias reset signal V sr is applied that enables the bias reset FET 38 to conduct, the radiation detector 10
voltage is supplied to the A current limited by the small inherent impedance represented by resistor 40 then flows from reference potential V r on bias input line 46 and charges bias capacitor 36 to the desired radiation detector bias potential. . This bias potential must be sufficient to form a depletion layer over the entire radiation detection area of the detection layer 18. Examples of the invention required a bias potential of 200 mV to 300 mV. The maximum bias potential that can be applied is limited by the thickness of the detection layer 18 of the detector 10. If the bias potential induced depletion layer extends from the front sense contact 22 to the back sense contact 16, punch-through breakdown occurs in the detector 10, thereby limiting the maximum bias potential. Therefore, the depletion layer 18 only needs to expand by approximately the thickness of the radiation detection region 19 of the detection layer 18. It is undesirable for it to spread by exactly that thickness. When bias capacitor 36 is charged to a bias potential, bias reset signal V sr is removed and the potential difference appearing at radiation detector 10 changes proportionally to the amount of LWIR line 48 incident on detector 10 . That is,
The LWIR line 48 connects the board 12 and the backside detection contact 1.
6 to the radiation detection area of the detection layer 18. Radiation 48 is absorbed by the arsenic impurity atoms and electrons are ionized into the conduction band of the crystal lattice. Holes in the impurity band generated in the depletion layer of the radiation detection region 19 are exposed to the negative potential of the back surface detection contact 1 by the applied electric field.
It is sent in the direction of 6. The potential of the bias capacitor 36 decreases due to the current. The potential drop is proportional to the number of holes in the impurity band generated depending on the intensity of the LWIR ray 48 incident on the radiation detector 10.
The potential drop of the capacitor 36 is detected by the sense potential output FET 42.
is relaxed and transmitted onto the sense output line 44 by. The FET 42 functions as a buffer by being connected as a source follower. That is,
The gate of the FET 42 is connected to the detector output line 34, and the drain is connected to a positive potential V DD higher than the bias reference potential V r . Therefore, the sense output line 44,
That is, the potential of the source of the FET 42 is approximately approximate to the potential of the gate of the FET 42. The potential on sense output line 44 can therefore be used to sense the potential of radiation detector 10. A front-to-back illumination type radiation detector indicated by reference numeral 50 will be described with reference to FIG. The radiation detector 50 is slightly different from the detector 10 shown in FIG.
This is another embodiment of the invention in which the difference is essential. A front detection/metal contact structure is used to transmit radiation from the front side of the radiation detector 50 to the radiation detection area of the detection layer 18. In particular, the front detection contact 57 is formed as a thin highly conductive layer close to the front side of the blocking layer 20. Front detection contact 57 enters the front side
It must be substantially transparent to the LWIR line 56. Therefore, the impurity concentration and thickness of the front detection contact 57 are substantially similar to those of the back detection contact 16. The front detection contact grid 58 is adjacent to and connected to the front detection contact 57 in the blocking layer 2.
Formed in front of 0. Like back sense grid 14, front sense grid 58 functions as a conductive connection between front sense contact 57 and front metal contact 52. Therefore, the impurity concentration and thickness of the front detection grid 58 are the same as those of the back detection grid 1.
It is almost the same as 4. Front metal contact 52 is provided to form an electrically conductive path between radiation detector 50 and bias reset/sense access circuit 70. However, the front metal contact 52 is formed to substantially overlap only the front detection grid 58, and the front surface of the front detection contact 57 is exposed. As a result, the radiation 50 incident on the front side of the detector 50 by the front detection window 54 is guided through the front detection contact 57 and the blocking layer 20 to the radiation detection area 19 of the detection layer 18 . It is therefore possible to operate in front-illuminated or back-illuminated modes or both modes, representing another aspect of the invention. It is clear that in order for radiation detector 50 to maintain satisfactory radiation absorption efficiency, the impurity concentration and/or thickness of detection layer 18 must be increased. In the radiation detector 10 of FIG. 1, the front metal contact 26 functions as a reflector for radiation 48 that initially passes through the radiation detection area of the detection layer 18 without being absorbed. This radiation 48 is reflected back to the detection layer 18 where it is given a second opportunity to be absorbed again. Therefore, the radiation detector 10 of FIG. 1 necessarily exhibits high radiation absorption efficiency. However, in the radiation detector 50 of FIG. 2, the front metal contact 52 cannot function satisfactorily as a radiation reflector. Therefore, the radiation detector 50 has only a single opportunity to absorb radiation 48 incident from the back or radiation 56 incident from the front as it passes through the radiation detection area of the detection layer 18. Therefore, the bias voltage value applied to the bias capacitor 36 is
The change in thickness of 8 must be reflected. FIG. 3 is a sectional view of a back-illuminated radiation detector 60. Detector 60 has a simplified back metal contact structure. This modified radiation detector 60 is substantially the same as the radiation detector 10 of FIG. However, the back metal contact structure has been modified to simplify the manufacture of the detector 60. In particular, the manufacturing process is simplified by completely eliminating V-groove etching. Instead, the oxide layer 24 above the front sensing contact grid 14 is perforated to provide a window. A highly conductive back contact layer 66 is formed on the exposed surface of blocking layer 20 . The impurity concentration and thickness of the contact layer 66 are approximately the same as those of the front detection contact 22. Further, to simplify manufacturing of the detector 60, the back contact layer 66 may be formed at the same time as the front sensing contact 22, and then the back metal contact 64 may be formed at the same time as the front metal contact 26. The contact layer 1 detects the potential of the grid 14 on the back side.
By increasing the potential to a level higher than 6, conduction occurs between the backside detection contact grid 14 and the backside contact layer 66. The transition region formed at the junction of sensing layer 18 and blocking layer 20 in the vicinity of contact layer 66 is constricted, thus allowing current conduction.
Front detection contact 22 and back contact layer 66
The distance between them must be made thicker (typically 15 times thicker) than the thickness of blocking layer 20 to prevent unwanted current from flowing therebetween. FIG. 4 shows a portion of a monolithic substrate focal plane array (FPA). The FPA is provided with a large number of radiation detectors 10 arranged in a matrix. None of the embodiments of the present application described above
Although it can be used in an FPA, for the sake of simplicity, the FPA shown in FIG. 4 will be explained using the embodiment of the back-illuminated radiation detector shown in FIG. 1 of the present invention. Radiation detector 10 uses a common backside detection contact grid 14 that is commonly electrically connected to a number of backside metal contacts 28 that frame the detection array. In particular, FIG. 4 shows the three columns 92, 94, 96 of the radiation detection array and the back metal contacts 28
A surrounding column 90 is shown. The dimensions of the array, including the size and distance separating the radiation detection areas 19 of the detector, are not critical beyond those described above. However, in all cases the front sensing contacts 22 of the detector 10 must be spaced far enough apart that the blocking layer 20 electrically isolates the front sensing contacts 22. A distance of 10μ is usually sufficient. In this case, it must be spaced apart so that a readout structure having a detection output lead 34 and a common lead 32 can be formed on the front side of the FPA. A reset/sense access circuit 70, typically connected to each front metal contact 26, includes a read structure. The resulting hybrid structure is a highly integrated unit with a dense arrangement of radiation detectors 10 operated in back-illuminated mode. Various modifications are possible to optimize the radiation detector 10 for specific applications. Hereinafter, it is assumed that the radiation detector 10 also includes detectors 50 and 60. The impurities typically used in the detection layer 18 can be selected from a variety of ways. For example, indium or gallium can be used as an impurity in order to make the frequency range that the detector 10 can respond to be in the infrared region of 3 to 5 microns. Gallium can also be used in the 8-14μ infrared region. Still other impurities may be used to enable the radiation detector 10 to respond to electromagnetic waves having different frequencies.
Therefore, although embodiments of the invention have been focused on detecting LWIR radiation, the invention is applicable not only to infrared detectors but also to radiation detectors in general. It is therefore also possible to use P-type impurities in the detection layer 18 and the blocking layer 20 to obtain a P-type radiation detector. Similar operating principles apply to radiation detectors using P-type impurities as well as N-type radiation detectors. A more important modification of the radiation detector 10 is one in which the blocking layer 20 is formed using an impurity of a conductivity type opposite to that used in the detection layer 18. Although this modification inevitably increases the possibility of impurity contamination of the detection layer 18, the use of a blocking layer of the opposite conductivity type has the advantage of improving the detection reaction time with respect to a tip or pulsed incident beam. . That is, if the incident radiation is chopped with a non-negligible duty cycle, the time required by the detector 10 to obtain an output proportional to the intensity of the incident radiation is significantly reduced. This includes an N-type detection layer 18 as well as a P-type blocking layer 20.
It is thought that this is because the number of trapped electrons that inevitably exist in the N-type blocking layer 20 is reduced by using the N-type blocking layer 20. Similarly, together with the N-type detection layer 18, N
The use of the P-type blocking layer 20 is also achieved by reducing the trapped holes necessarily present in the P-type blocking layer 20. The invention therefore provides a radiation detector 10 with a sufficiently fast response time. Furthermore, a detection layer 18 and a blocking layer 20 are provided to the substrate 12.
A modification can also be considered in which the order is reversed. According to this modification, the radiation detector 10 can operate from a negative reference potential with respect to the ground reference potential applied to the back metal contact 28. However, in this modification, the electrical insulation between the front detection contacts 22 of adjacent radiation detectors 10 formed on the common substrate 12 is impaired. Since the blocking layer 20 has a fairly low impurity concentration, its resistivity is fairly high. Therefore, there is a front detection contact 2 in the blocking layer 20.
2, sufficient electrical insulation can be obtained due to the high and low resistivities and the distance between the front detection contacts 22 of adjacent radiation detectors 10. If the front sensing contact 22 is formed in the sensing layer 18 as suggested in this variation, the electrical insulation will be lost due to the low resistivity of the sensing layer 18. Finally, substrate 12 of radiation detector 10 may be formed using a variety of different materials. This material may be a semiconductor crystal doped with N-type or P-type impurities, as used in embodiments of the invention, or it may be a non-semiconductor material such as glass or sapphire. Such materials can be used to increase the transparency of the substrate in a desired radiation frequency range or to increase the mechanical strength of the radiation detector 10. Thus, a radiation detector has been disclosed that is highly sensitive to incident radiation and is easily applicable to a wide range of applications. Obviously, various modifications are possible in view of the embodiments of the invention described above. In addition to the above-mentioned variations, there are also variations in which impurities are introduced into the detector structure by diffusion, or in which conductively doped polysilicon is used instead of a metal conductor. The manufacturing steps necessary to fabricate the detectors of the various embodiments are all conventional in nature and have not been described in order not to obscure the nature of the invention. It is therefore to be understood that within the scope of the appended claims, the invention may have application other than as specifically described.

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