NL8003906A - Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting. - Google Patents

Description

4.

: < PHN 9796 1 N.V. Philips' Gloeilarrpenfabrieken te Eindhoven.

"Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting".

De uitvinding betreft een stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting bevattende een halfgeleiderlichaam, dat aan een praktisch vlak oppervlak ten minste een stralingsgevoelige diode bevat net meerdere subelementen waarvan tenminste één voorzien is van een aansluiting om 5 door straling gegenereerd stroom door het subelement te registreren.

Met een stralingsgevoelige diode kan zowel een fotodiode bedoeld worden als bijvoorbeeld een stralingsgevoelige basis-collector-overgang van een fototransistor of andere stralingsgevoelige halfgelei-derovergangen of metaal-halfgeleiderovergangen. In het geval van een fold totransistor is de aansluiting om de gegenereerde stroom te registreren doorgaans verbonden met een emitter van de fototransistor.

Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichtingen van de bovengenoemde soort worden bijvoorbeeld gebruikt in lichtgevoelige schakelingen voor beeldweergave en in inrichtingen ten behoeve van spoorvolging of 15 positionering van lichtbundels (of bundels van andere soorten straling). Andere toepassingen van stralingsdetectie liggen op het gebied van spectroscopische analyse met name in het golflengtegebied van 200-1100 nanometer en bijvoorbeeld zachte röntgenstraling. Daarnaast worden dergelijke inrichtingen gébruikt voor detectie van deeltj esstraling (bij voorbeeld 20 elektronen, en A-deeltjes).

In bestaande stralingsgevoelige inrichtingen, bijvoorbeeld kwadrantendioden, worden de subelementen gevormd door aan het oppervlak van het halfgeleiderlichaam gelegen halfgeleiderzones die van een aansluiting zijn voorzien om de foto-eléktrische stroom door het subelement 25 te registreren en die met het onringende deel van het halfgeleiderlichaam gelijkrichtende overgangen vormen. Wanneer de stralingsgevoelige diode in . de sperrichting voorgespannen zijn ter plaatse van de subelementen in het halfgeleiderlichaam (en in de halfgeleiderzones) uitputtingsgebieden aanwezig. In deze uitputtingsgebieden heerst een elektrisch veld dat vrij-30 wel geheel bepaald wordt door de spanning over de diode. Wanneer ten gevolge van invallende straling in de uitputtingsgebieden ladingdragers worden gegenereerd dragen deze onder invloed van het heersend elektrisch veld bij tot een foto-eléktrische stroom door de subelementen.

.80 0 3 9 0 6 --------------------------------------- * PHN 9796 2 *

In dergelijke stralingsgevoelige halfgeleiderinrichtingen doet zich het probleem voor van overspraak tassen de subelementen. In bestaande inrichtingen heeft men dit probleem qpgelost door een voldoend grote ruimtelijke scheiding aan te brengen tassen de subelementen en de bijbe-5 horende uitputtingsgebieden. Ladingdragers die in of nabij het uitputtings-gebied van een subelement gegenereerd worden dragen dan praktisch niet bij tot de foto-elektrische stroom door andere subelementen.

Een dergelijke ruimtelijke scheiding gaat echter ten koste van het scheidend vermogen van de inrichting: met name worden tussen twee 10 subelementen smalle bundels of kleine verplaatsingen van een bundel niet duidelijk gedetecteerd als variatie in de foto-elektrische stroom door naburige subelementen.

Ook tussen de uitputtingsgebieden worden ladingdragers gegenereerd. Deze kunnen óf weer verdwijnen door reccmbinatie óf door diffusie 15 een uitputtingsgébied van een subelement bereiken en daar een bijdrage leveren aan de foto-elektrische stroom. Deze bijdrage is trager en kan zich bovendien uitstrekken tot andere dan de naastgelegen subelementen.

In het Amerikaanse octrooischrift No. 3,858,233 worden maatregelen voorgesteld cm straling die ongeveer midden tussen twee subelemen-20 ten invalt een praktisch verwaarloosbare bijdrage aan de foto-elektrische stroom te doen leveren. Hiertoe wordt tussen naburige subelementen over althans een gedeelte van het tussen de subelementen gelegen oppervlak een laag van stralingsabsorberend materiaal aangebracht. Op deze manier wordt tussen twee subelementen een scheidingsstrook aangelegd waar in-25 vallende straling het halfgeleideroppervlak niet bereikt.

Door de aanwezigheid van een stralingsabsorberende laag draagt ter plaatse van deze laag invallende straling niet of nauwelijks bij tot een foto-elektrische stroom. Dit vermindert de gevoeligheid van een dergelijke inrichting.

30 De uitvinding stelt zich ten doel een stralingsgevoelige half- geleiderinrichting van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen met een groot oplossend vermogen en een grote stralingsgevoeligheid, waarbij de overspraak tussen subelementen zeer gering is. Bovendien stelt zij zich ten doel een stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting met hoge snel-35 heid te verschaffen.

Zij berust op het inzicht dat door diffusie bepaalde bijdragen tot de foto-elektrische stroom voor een groot deel kunnen worden vermeden door het aanbrengen van een elektrisch veld.

8003906 : i PHN 9796 3 tr

Een eerste uitvoering van een stralingsgevoelige halfgelei-derinrichting volgens de uitvinding heeft hiertoe het kenmerk dat de afstanden tussen naburige subelementen zo klein zijn dat door het aanleggen van een sperspanning over de stralingsgevoelige diode tussen naburige sub-5 elementen gelegen gebieden geheel gedepleerd kunnen worden door bij de subelementen behorende uitputtingsgebieden.

Een tweede uitvoering van een stralingsgevoelige halfgelei-derinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat de inrichting tenminste een schakelingselement bevat waarmee een zodanige sperspanning 10 over de stralingsgevoelige diode aangelegd kan worden dat tussen naburige subelementen gelegen gebieden geheel gedepleerd worden door bij de sutr elementen behorende uitputtingsgebieden.

Doordat nu het gebied tussen twee subelementen geheel gedepleerd is heersen er in het gehele gebied tussen de subelementen gerichte 15 elektrische velden. Ladingdragers die hier ten gevolge van invallende straling gegenereerd worden begeven zich onder invloed van deze velden naar de bijbehorende subelementen en dragen daar bij aan de foto-elek-trische stroom.

Aangezien de uitputtingsgebieden van naastgelegen subelemen-20 ten elkaar raken (of als het ware gedeeltelijk overlappen) kan de onderlinge afstand tussen twee subelementen zeer gering (in de orde van enkele micrometers) zijn. Dit geeft een stralingsgevoelige halfgeleiderinrich-ting volgens de uitvinding een zeer groot oplossend vermogen.

Een gevolg van het geheel gedepleerd zijn van het tussenge-25 legen gebied is, dat praktisch geen ladingdragers, die door diffusie aan de foto-elektrische stroom bijdragen, voorkomen. De foto-eléktrische stroom bevat derhalve praktisch geen door diffusie bepaalde bijdrage, hetgeen een snelle responsietijd van de diode mogelijk maakt.

Een ander gevolg van het geheel gedepleerd zijn van het tus-30 sengelegen gebied en het daardoor ontbreken van een diffusie-bepaalde bijdrage aan de foto-eléktrische stroom is dat dit tussengelegen gebied niet voor een deel beschermd hoeft te worden tegen invallende straling.

Een stralingsabsorberende laag boven een deel van het tussengelegen gebied is derhalve niet nodig. Dit geeft een grote gevoeligheid aangezien 35 nu vrijwel alle straling in het halfgeleiderlichaam kan doordringen en daar ladingdragers genereren, die bijdragen aan de foto-elektrische stroom.

In een voorkeursuitvoering bevat de stralingsgevoelige diode een aantal symmetrisch om een punt van het oppervlak gelegen subelementen.

8003906 ft ΐ PHN 9796 4

Een dergelijke uitvoering is onder andere zeer geschikt voor bepaling van bundelposities.

In een andere voorkeursuitvoering bevatten meerdere stralingsgevoelige dioden een gemeenschappelijk subelement.

5 Een dergelijke inrichting, waarbij een aantal dioden de basis collector overgang vormen van fototransistoren kan bijvoorbeeld gebruikt worden in een gecombineerde spoorvolging-positioneringsschakeling voor bijvoorbeeld plaatafspeelapparatuur, gebaseerd op optische uitlezing (bijvoorbeeld VLP).

10 Een verdere voorkeursuitvoering van een stralingsgevoelige half geleider inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat de inrichting tenminste een stroomdetector voor door invallende straling gegenereerde stroom bevat. Een dergelijke stroomdetector kan gebruikt worden voor het genereren van een regelsignaal, bijvoorbeeld in de genoemde 15 spoorvolging-positioneringsschakeling of voor het detecteren van een foto-elektrische stroom bijvoorbeeld in een spectrometer die een stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding bevat.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van een aantal uitvoeringsvoorbeelden en de tekening, waarin 20 Figuur 1 een bovenaanzicht toont van een deel van een stralings gevoelige halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding

Figuur 2 een dwarsdoorsnede van de halfgeleiderinrichting toont langs de lijn II-II in. Figuur 1

Figuur 3 een meetmethode toont om het scheidend vermogen van 25 een dergelijke halfgeleiderinrichting te bepalen.

Figuur 4 enkele resultaten toont, verkregen met de methode volgens Figuur 3

Figuur 5 een bovenaanzicht toont van een andere stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding 30 Figuur 6 een dwarsdoorsnede toont van de halfgeleiderinrichting

in Figuur 5 langs de lijn VI-VI

Figuur 7 een bovenaanzicht toont van een inrichting waarin de halfgeleiderinrichting volgens Figuur 1,2 wordt toegepast

Figuur 8 een dwarsdoorsnede toont langs de lijn VIII-VIII in 35 Figuur 7

Figuur 9 een deel van een beeldplaatweergaveinrichting toont waarin de inrichting volgens de Figuren 7,8 wordt toegepast

Figuur 10 een bovenaanzicht geeft van een andere stralingsge- 8003906 4 PHN 9796 5 voelige halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding

Figuur 11 een dwarsdoorsnede toont langs de lijn XI-XI in Figuur 10, terwijl Figuur 12 een bovenaanzicht toont van weer een ander stralings-5 gevoelige halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding en

Figuur 13 een dwarsdoorsnede van de halfgeleiderinrichting toont langs de lijn XIII-XIII in Figuur 12.

De figuren zijn schematisch en niet qp schaal getékend, waarbij ter wille van de duidelijkheid, in de dwarsdoorsneden in het bijzonder de 10 afmetingen in de dikterichting sterk zijn overdreven. Halfgeleiderzones van hetzelfde geleidingstype zijn in het algemeen in dezelfde richting gearceerd; in de verschillende uitvoeringsvormen zijn overeenkomstige delen in de regel met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid.

De stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting in Figuur 1,2 be-15 vat een halfgeleiderlichaam 1 van silicium. Dit halfgeleiderlichaam 1 bevat een laagohmig substraat 2 waarop een n-type epitaxiale laag 3 is aangebracht met een dikte van circa 10 micrometer en een soortelijke weerstand in de orde van 100-200 ohmcentimeter. Het halfgeleiderlichaam 1 is aan een praktisch vlak oppervlak 4 voorzien van onderling gescheiden ge~ 20 lijkrichtende overgangen 5. Het halfgeleiderlichaam 1 is hiertoe aai zijn oppervlak 4 voorzien van oppervlaktegebieden 6 Van het p-type die met de epitaxiale laag 3 de genoemde gelijkrichtende overgangen 5 (pn-overgangen)

a BCD

vormen; hierbij zijn vier subelementen 6 ,6,6,6 symmetrisch cm een gemeenschappelijk middelpunt gelegen. Deze subelementen maken deel uit 25 van een zogenaamde kwadrantendiode.

Het oppervlak 4 van het halfgeleiderlichaam 1 is verder bedekt met een passiverende antireflectielaag 7 van siliciumoxyde. In de laag 7

ABC

bevinden zich contactvensters 8 ten behoeve van contacten 9 (9 , 9 , 9 , 9^). Aan de onderzijde van het halfgeleiderlichaam is het substraat 2 ge-30 contacteerd door middel van een contactmetallisatie 10.

Met behulp van een elektrische spanning op de contacten 9, 10 kunnen de pn-overgangen 5 in de tegenrichting worden voorgespannen. Hierdoor wordt bij elke pn-overgang 5 in de epitaxiale laag 3 en het bijbehorende oppervlaktegebied 6^réputtingsgebied gecreërd, in Figuur 2 door 35 middel van streeplijnen aangegeven. Voorzover deze uitputtingsgebieden zich uitstrekken in de epitaxiale laag 3 zijn deze aangegeven met het verwijzingscijfer 12. De elektrische veldlijnen ten gevolge van in dergelijke gebieden 12 heersende elektrische velden zijn weergegeven door 8 0 0 3 9 0 6

I V

PHN 9796 6 middel van pijlen 13.

Wanneer op het oppervlak 4 van het halfgeleiderlichaam 1 licht of straling van voldoende hoge energie invalt (tenminste gelijk aan de breedte van de verbonden band van het halfgeleidermateriaal) worden in 5 het halfgeleiderlichaam extra ladingdragers (gaten en elektronen) gegenereerd. In de uitputtingsgebieden worden deze extra ladingdragers ten gevolge van het heersend veld afgevoerd en dragen aldus bij tot een foto-elektrische stroom door de bijbehorende pn-overgang.

Volgens een eerste aspect van de uitvinding zijn de afstanden 10 tussen de subelementen zo klein dat door het aanleggen van een sperspan-ning over de stralingsgevoelige diode tussen naburige subelementen gelegen gebieden gedepleerd kunnen worden door bij de subelementen behorende uitputtingsgebieden.

Bij een onderlinge afstand tussen de p-gebieden 6 van circa 4 15 micrometer is een sperspanning van circa 8 Volt over de naastliggende pn-overgangen 5 voldoende om in de epitaxiale laag 3 de bijbehoredde uitputtingsgebieden 12 elkaar als het ware te doen raken. Ter plaatse van het raakvlak van bij naast elkaar gelegen pn-overgangen 5 behorende uitputtingsgebieden 12 buigen de elektrische veldlijnen zodanig af dat ten ge-20 volge van het heersend elektrisch veld de in het uitputtingsgebied gegenereerde ladingdragers zich praktisch altijd naar de bijbehorende pn-over-gang begeven. Op deze wijze dragen zij bij tot de in deze pn-overgang opgewekte foto-elektrische stroom.

De onderlinge afstand tussen de p-type gebieden 6 is vele malen 25 kleiner dan in bekende stralingsgevoelige inrichtingen zodat met de inrichting volgens Figuur 1 een veel beter scheidend vermogen wordt verkregen. Daarnaast is de epitaxiale laag 3 over het grootste deel van zijn dikte gedepleerd, zodat met name in het golflengtegebied van 400-1100 nanometer vrijwel geen bijdrage aan de foto-elektrische stroom wordt ge-30 leverd door diffusie van gegenereerde ladingdragers; dit maakt de inrichting aanzienlijk sneller. Bovendien is het halfgeleideroppervlak over het gehele gebied tussen de oppervlaktegebieden 6 gevoelig, voor invallende straling. Dit betékent dat zeer smalle bundels kunnen worden gedetecteerd.

Volgens een tweede aspect van de uitvinding bevat de inrichting 35 ten minste een schakelingselement waarmee een zodanige sperspanning over de stralingsgevoelige diode aangelegd kan worden dat tussen naburige subelementen gelegen gebieden geheel gedepleerd worden door bij de subelementen behorende uitputtingsgebieden.

8003905 PHN 9796 7 J *

In Figuur 2 zijn hiertoe de subelementen βΑ, β5, 6C, 6° via weerstanden 14 verbonden met een spanningsbron 11. Ten behoeve van het

ά b C D

contacteren zijn de subelementen 6, 6,6,6, via contactgaten 8 in de passiveringslaag 7, die het halfgeleiderlichaam bedekt voorzien van

A B C D

5 contactmetalliseringen 9,9,9,9. Door de spanningsbron 11 wordt een zodanige spanning over de pn-overgangen 5 aangelegd dat de epitaxiale laag 3 weer over het grootste deel van zijn dikte gedepleerd is. Dit geeft weer de bovengenoemde voordelen ten aanzien van snelheid en gevoeligheid.

De getoonde inrichtingen bleken een frequentiekarakteristiek 10 te bezitten met een vlak verloop tot boven 100 MHz, dat wil zeggen dat een subelement dat bestraald werd met een pulstrein van lichtsignalen geen merkbare verandering in responsie vertoonde tot een signaalf requen-tie van meer dan 100 MHz.

Een in een pn-overgang 5 opgewekte foto-elektrische stroom 15 veroorzaakt een spanningsval over de bijbehorende weerstand 14 en levert daardoor een uitgangssignaal^. Wanneer nu bijvoorbeeld een lichtbundel in het centrum van de kwadrantendiode (in Figuur 1 aangegeven door middel van het gearceerde deel 15) loodrecht op het oppervlak 5 invalt zijn in

a BCD

de vier subelementen 0,6,6,6 de opgewekte foto-eléktrische stromen 20 praktisch gelijk. Is de positie van de invallende bundel enigszins ver-schoven ten opzichte van het centrum 15, dan zullen verschillen optreden in de uitgangssignalen entpD· Deze uitgangssignalen kunnen vervolgens weer worden toegevoerd aan een regelsysteem dat de plaats van de invallende bundel regelt. In het artikel "Optical video disks with un-25 dulating tracks" door J.J.M. Braat en G. Bouwhuis in het tijdschrift

Applied Opties, Vol. 17 No. 13, pag. 2022-2028 (1 July 1978) wordt beschreven hoe een dergelijke kwadrantendiode kan worden toegepast in een beeld-plaatafspeelinrichting.

De kwadrantendiode volgens Figuur 1,2 bevat behalve de sub- 30 elementen 6^, F, F, 6° een subelement dat deze gebieden geheel omringt.

E

De bij dit subelement behorende pn-overgang 5 is door middel van de span-

E

ningsbron 11 zodanig gesperd dat het bijbehorende uitputtingsgebied 12 ten minste raakt aan de uitputtingsgebieden 12, behorend bij de pn-over-

ά η C

gangen 5 tussen de epitaxiale laag 3 en de cppervlaktegebieden 6 , o , 6 , 35 F, Deze maatregel heeft tot gevolg dat ladingdragers gegenereerd door

A J3 C D

licht, dat niet qp de subelementen 6 , 6 , 6 , 6 valt en parasitair gegenereerde ladingdragers (bijvoorbeeld afkomstig van de rand van het kristal), praktisch alleen bijdragen tot een stroon door de pn-overgang 8003905 » l PHN 9796 8

E

5 , zodat zij niet ten gevolge van diffusie parasitaire bijdragen kunnen leveren aan een de foto-elektrische stroom door één van de pn-overgangen 5 van de subelementen , 6B, 6^, 6^.

De halfgeleiderinrichting volgens Figuur 1,2 kan met in de 5 halfgeleidertechnologie algemeen bekende technieken worden vervaardigd. Uitgegaan wordt van een n-type siliciumrstubstraat 2, waarop de n-type epitaxiale laag wordt aangegroeid. De oppervlaktegebieden 6 warden bijvoorbeeld verkregen door middel van implantatie van p-type verontreinigingen gevolgd door een diffusie- of uitgloeistap. De oppervlaktegebieden 10 6 kunnen ook rechtstreeks door diffusie worden aangebracht.

Figuur 3 toont schematisch een meting om het scheidend vermogen te bepalen tussen twee stralingsgevoelige overgangen in een gemeenschappelijk halfgeleiderlichaam, zoals hierboven beschreven, Figuur 4 toont enkele meetresultaten, zowel voor een halfgeleiderinrichting waarbij tus-15 sen twee oppervlaktegebieden 6 maatregelen zijn genomen cm minder straling in het halfgeleiderlichaam te laten doordringen dan elders, als voor een halfgeleiderinrichting waar dit niet het geval isvèooroar na de vervaardiging het oppervlak 5 heeft gereinigd en van een passiverende anti-reflectielaag 7 heeft voorzien.

2o Een bundel 16, bijvoorbeeld een laserstraal, beweegt zich over het oppervlak 4 van het halfgeleiderlichaam 1, dat deel uitmaakt van een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding. Als de fcundel 16 zich ter plaatse van het punt a bevindt, ontstaat de foto-elektrische stroom, opgewekt in de onderliggende pn-overgang 5 praktisch alleen in een vlak 25 deel van deze over gang, evenwijdig aan het oppervlak 4. Dit geeft aanleiding tot een stroom ter waarde IQ (curve 17,19 in Figuur 4) door deze overgang. De strocm door de naastliggende pn-overgang 5 is verwaarloosbaar klein (curve 18,20 in Figuur 4). Niet alle door de bundel 16 gegenereerde ladingdragers dragen in het punt a bij tot de foto-elektrische 30 stroom, aangezien een gedeelte door recambinatie in het oppervlaktegebied 6 (en ook enigszins in het eventueel niet gedepleerde deel van de epitaxiale laag 3) verloren gaat. Ook wordt de invallen straling zij het in geringe mate gereflecteerd door de passiveringslaag 7 en in het oppervlaktegebied 6 enigszins geabsorbeerd voordat deze straling het uitput- 35 tingsgebied van de pn-overgang 5 bereikt. Als de bundel 16 zich ter plaatse van het punt 6 bevindt wordt de invloed van de kromming van de pn-overgang 5 merkbaar. De afstand tussen het oppervlak 4 en het uitputtings-gebied is korter, zodat minder ladingdragers door recambinatie verloren 8003905 t * PHN 9796 9 gaan en ook minder straling wordt geabsorbeerd in het oppervlaktegebied 6. Dit levert bij gelijkblijvende dikte van de laag 7 een extra bijdrage op aan de foto-elektrische stroom (kromte 19 in Figuur 4). Naarmate de bundel 16 zich verder over het oppervlak 5 verplaatst neemt deze extra 5 bijdrage eerst snel toe tot een waarde I-j waarna voorbij punt c, praktisch midden tussen de twee oppervlaktegebieden de foto-elektrische stroom 19 snel afneemt doordat de elektrische velden (weergegeven door pijlen 13) in het uitputtingsgebied 15 praktisch alle gegenereerde ladingdragers doen bijdragen aan de foto-elektrische stroom door de naastgelegen pn-10 o ver gang. De bij deze naastgelegen pn-overgang behorende stroom neemt, als de bundel 16 zich verder verplaatst, eerst snel toe tot de waarde I, om daarna weer af te nemen tot de waarde IQ (zie krorrme 20 in Figuur 4).

De laag 7 tussen de oppervlaktegebieden 6 kan een verdikking 36 vertonen, bijvoorbeeld doordat het oorspronkelijke diffusiemasker of 15 implantatiemasker op het oppervlak 4 is achtergebleven. Deze verdikking kan zodanig gekozen worden dat ter plaatse van deze verdikking 36 een groter gedeelte van het invallende licht gereflecteerd wordt. De opgewekte foto-elektrische stromen verlopen dan ongeveer volgens de krommen 17,18 in Figuur 4 in plaats van volgens de krcttmen 19,20. Dergelijke af gevlakte 20 krommen 17,18 zijn veel geschikter voor toepassingen in regelapparatuur dan de krommen 19,20.

De onderlinge optische scheiding tussen de oppervlaktegebieden 6 bleek bij meting volgens de methode van Figuur 3 zeer goed. De over-spraak in een inrichting volgens de uitvinding tussen twee naburige pn-25 overgangen 5, bij een afstand tussen de oppervlaktegebieden 6 van circa 4 micrometer was kleiner dan 60 decibel met andere woorden bij belichting van de ene overgang bedroeg de waarde van de gemeten fotostrocm door de naastgelegen onbelichte overgang minder dan 1 pro-mille van die in de belichte overgang.

30 De Figuren 5 en 6 tonen een fotodiode waarbij éên subelement 6A voorzien is van een aansluiting cm de gegenereerde fotostroom te detecteren. Het halfgeleiderlichaam 1 bevat een laagohmig substraat 2 en een daarop aangegroeide epitaxiale laag 3, allebei van het n-type. De epitaxiale laag heef t een dikte van circa 5 micrometer en een soortelijke 35 weerstand van 50-200 ohmcentimeter. De epitaxiale laag 3 is aan het oppervlak 4 voorzien van een cirkelvormig oppervlaktegebied 6^ en een tweede ringvormig oppervlaktegebied 6E dat het gebied 6A geheel omringt. De beide oppervlaktegebieden 6 zijn van het p-type. De onderlinge afstand tus- 8003906 T ν ΕΗΝ 9796 10 sen de gebieden en bedraagt circa 4 micrometer. Bij een sperspanning van circa 10 Volt over de bij het gebied 6^ behorende pn-overgang 5 is de

• epitaxiale laag 3 praktisch geheel gedepleerd. Doordat tussen de gebieden A E

6 en 6 de depletiegebieden 12 als het ware aan elkaar raken worden door 5 gegenereerde ladingdragers door de aanwezigheid van gerichte elektrische

velden (aangegeven door pijlen 12) weer snel afgevoerd naar de gebieden A . E

6 respectievelijk 6 . Hiermee is een zeer snelle fotodiode verkregen, waarbij praktisch geen parasitaire effecten optreden. Bovendien speelt

hierdoor de bijdrage aan de diodecapaciteit afkomstig van de rand van A

10 het gebied 6 praktisch geen rol. Overigens hebben de verwijzingscijfers weer dezelfde betekenis als in de Figuren 1 en 2.

In het halfgeleiderlichaam 1 van Figuur 1,2 kunnen behalve de fotogevoelige dioden ook andere halfgeleiderelementen worden gerealiseerd zoals transistoren, weerstanden, etc. Ook kunnen bijvoorbeeld fototran-15 sistoren in het halfgeleiderlichaam worden aangebracht. Een van een stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting deel uitmakend halfgeleiderlichaam 1, dat naast dioden ook foto transistoren F,G bevat wordt in bovenaanzicht getoond in Figuur 7 terwijl Figuur 8 een dwarsdoorsnede toont langs de lijn VIII-VIII in figuur 7. De inrichting volgens de Figuren 7 en 8 bevat 20 weer gescheiden p-n-overgangen tussen de n-type epitaxiale laag 3 en p-

type oppervlaktegebieden 6. De p-type oppervlaktegebieden 6^, β5, 6C, 6D

E

vormen hierbij samen met het omringende gebied 6 weer een kwadrantendiode, zoals hierboven beschreven terwijl de p-type oppervlaktegebieden F G

6 , 6 de bases vormen van fototransistoren met n-type emittergebieden F G E

25 21 , 21 . Het qppervlaktegebied 6 vormt hierbij een gemeenschappelijk subelement van de kwadrantendiode en de beide fototransistoren F,G. Een dergelijke halfgeleiderinrichting kan in een beeldplaatweergaveinrichting gebruikt worden voor zowel positionering als spoorvolging.

Figuur 9 toont bij wijze van voorbeeld een dergelijke weer-30 gaveinrichting. Een door een laser 22 opgewekte monochrcmatische bundel 23 wordt door middel van een lens 24, een spiegel 25 en een objectief 26 afgebeeld op een beeldplaat 27. De door de beeldplaat 27 gemoduleerde bundel 28 wordt via het objectief 26 en de spiegel 25 teruggekaatst en door middel van een polariserende spiegel 29 afgebeeld qp een detector 30.

35 Een ·£λ-plaatje 31 scheidt samen met de polariserende spiegel 29 de heengaande bundel van de teruggaande bundel die op de detector 30 wordt afgebeeld en daar bijvoorbeeld ten behoeve van positionering op een kwadrantendiode kan worden afgebeeld. Ten behoeve van spoorvolging worden met be- 8003906 ...........................

PHN 9796 11 hulp van een rooster 32 twee extra bundels gegenereerd die het spoor op de beeldplaat vlak voor en vlak na de bundel 23 treffen, zij het iets excentrisch. Deze bundels worden na terugkaatsing eveneens op de detector 30 afgebeeld.

5 Het verschil in lichtintensiteit qp in de detector aangebrach te fotodioden (of-trans is toren) is maatgevend voor een eventuele misaan-passing tussen richting van het videospoor en de uitleesapparatuur. Om deze misaanpassing te voorkomen respectievelijk op te heffen worden de signalen van de fotodioden aan een regelsysteem toegevoerd. Voor een uit-10 gebreider beschrijving van de beeldweergaveinrichting en de werking ervan wordt verwezen naar de artikelen "Laser beam reading of video records" door C.H.F. Velzel in Applied Optics, Vol 17, No. 13, pag. 2029-2034 (1. July 1978) en "The optical scanning system of the Philips "VLP" record player" door G. Bouwhuis en P. Burgstede in Philips Technical Review 33, 15 No. 7 pag. 186-189 (1973).

Wanneer een halfgeleiderinrichting volgens de Figuren 7 en 8 deel uitmaakt van een detector 30 in een weergaveinrichting volgens Figuur 9 wordt de gemoduleerde bundel 28 afgebeeld op de kwadrantendiode,

A B C -D

gevormd door de oppervlaktegebieden 6,6,6, b . De beide extra bun-20 dels worden afgebeeld op de fototransistor F,G (de trefplaatsen van. de bundel 28 en de beide extra bundels zijn in Figuur 7 weergegeven door gearceerde cirkels 28,33,34). Ten gevolge van door de extra bundels gegenereerde ladingdragers worden de fototransistors F,G geleidend; de basis stroom door de pn-overgangen 5 wordt versterkt en de emitterstromen 25 veroorzaken aan de uitgangen signalen Cf , die aan het regelsysteem g voor de spoorvolging kunnen worden toegevoerd. Tijdens de vervaardiging van de halfgeleiderinrichting volgens de Figuren 7 en 8 kunnen echter ten gevolge van procestoleranties de afmetingen en andere eigenschappen van de transistoren F en G onderling enigszins verschillen. Hierdoor be-30 staat de kans dat bij gelijke belichting en instelling deze transistoren toch verschillende stromen leveren. Om een dergelijk stroomverschil op te heffen is de inrichting voorzien van een regelbare weerstand 35 waarmee de inrichting kan worden gecalibreerd.

Figuur 10 toont in bovenaanzicht en Figuur 11 in dwarsdoor-35 snede langs de lijn ΧΓ-ΧΙ in Figuur 10 een stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding ten behoeve van bijvoorbeeld spectroscopische toepassingen (bijvoorbeeld kortgolvig licht, Röntgenstralen). Wanneer één van de pn-overgangen 5 ten gevolge van bestraling in de di- 8003906 ' Ί ν ΡΗΝ 9796 12 recte omgeving van het bijbehorende gebied 6 een foto-elektrische stroom levert, ontstaat een spanningsval over de bijbehorende weerstand 14, hetgeen aanleiding geeft tot een uitgangssignaal^. De plaats van de pn-overgang 5 bepaalt daarbij welke uitgang een signaal geeft. Doordat de 5 depletielagen van de verschillende pn-overgangen 5 elkaar weer als het ware raken is de inrichting snel en over praktisch zijn gehele oppervlak gevoelig voor invallende straling. Om de invloed van ongewenste straling en lekstromen van de rand tegen te gaan zijn de qppervlaktegebieden 6 om-

E

geven door een ringvormig oppervlaktegebied 6 qp zodanige afstand dat 10 in het gebruik het bij de pn-overgang 5 tussen het gebied 6 en de epi-taxiale laag 3 behorende uitputtingsgebied 12 tenminste raakt aan de uit-puttingsgebieden 12 behorende bij de andere pn-overgangen 5. Overigens hebben de verwijzingscijfers weer dezelfde betekenis als in de voorgaande voorbeelden.

15 De Figuren 12 en 13 tonen een variatie op de inrichting vol gens de Figuren 1 en 2. De oppervlaktegebieden 6^, 6B, 6^, 6^ vormen nu de bases van subelementen van een kwadrantentransistor.

De gebieden 6^, 6®, 6^, 6° zijn aan het oppervlak 4 voorzien van emittergebieden 21A, 21B, 21C, 21° die via contacten 9A, 9B, 9C, 9° 20 verbonden kunnen worden met een spanningsbron 11 (Figuur 13).

Om de door de stralingsgevoelige overgangen 5 gegenereerde stroom te detecteren bevat de inrichting weer weerstanden 14 waarover een signaal gemeten wordt De inrichting volgens Figuur 12,13 is in dit voorbeeld speciaal geschikt gemaakt voor detectie van deeltj esstraling door 25 deze tussen de gebieden 6 te voorzien van een deeltjesabsorberende laag 37. Deze laag heeft een soortgelijke functie als de stralingsreflecteren-de laag 36 in de richting volgens de Figuren 1 en 2, namelijk het verminderen van de hoeveelheid gegenereerde ladingdragers in het gebied tussen de oppervlaktegebieden 6, zodat de piékstromen I, (curves 19,20 in 30 Figuur 4) worden vermeden. Overigens is de werking van de inrichting gelijk aan die van de Figuren 1 en 2 met dien verstande dat de in de pn-overgangen 5 opgewekte stroom door de transistorwerking wordt versterkt.

De overige verwijzingscijfers hebben weer dezelfde betékenis als in de vorige voorbeelden.

35 Vanzelfsprekend is de uitvinding niet beperkt tot de bovenstaan de uitvoeringsvoorbeelden, maar zijn voor de vakman binnen het kader van de uitvinding diverse variaties mogelijk. Zo kunnen (tegelijkertijd) de geleidingstypes van de halfgeleiderinrichting worden omgekeerd (samen met 8003905 3 » PHN 9796 13 de polariteit van de spanningsbron 11). Ook kunnen andere halfgeleider-materialen dan silicium worden gebruikt zoals bijvoorbeeld germanium of verbindingen van het III-V-type zoals gallium-arsenide. In.plaats van door pn-overgang 5 kunnen de uitputtingsgebieden 12 ook worden opgewekt g met behulp van Schottky-contacten op het halfgeleidermateriaal, die dan wel stralingdoorlatend moeten zijn. Hiertoe worden zij bijvoorbeeld vervaardigd van met antimoon gedoteerd tinoxyde of al dan niet met tin gedoteerd indiumoxyde (p-type of n-type).

In plaats van de oppervlaktegébieden 6 aan te brengen in de 10 epitaxiale laag 3 kunnen deze ook rechtstreeks in het substraat worden aangebracht, waarbij het substraatmateriaal een weerstand van bijvoorbeeld 10 ohmcentimeter heeft.

In de inrichting volgens Figuur 7,8 kan de smalle strook van

E -A 6 C D

het gemeenschappelijk subelement 6 tussen de delen b , 6 , 6 , 6 en

F G

15 de bases van de fototransistor 6 , 6 desgewenst worden weggelaten mits

de bijbehorende uitputtingsgebieden 12 van de gebieden 6^ en 6^, 6B res-G C -D

pectievelijk 6 en 6 , 6 elkaar weer als het ware raken door de maatregelen volgens de uitvinding.

E

In de diode volgens Figuur 5,6 kan het oppervlaktegebied 6 20 desgewenst tegen invallenden traling worden af geschermd met een metaallaag, terwijl de inrichting wordt voorzien van middelen om de lekstroom door de bijbehorende pn-overgang 5 te meten. Op deze wijze kan de thermisch gegenereerde lekstroom door de pn-overgang worden gemeten, waarvan de waarde gebruikt kan worden cm de via het subelement 6^ gemeten signaal 25 te corrigeren voor deze thermische component.

Verder kunnen in plaats van weerstanden 14 transistor en worden gebruikt ten behoeve van signaalverwerking; deze transistoren (bipolaire of desgewenst veldeffecttransistoren) kunnen in het halfgeleider-lichaam 1 worden geïntegreerd evenals bijvoorbeeld schakelingen ten be-30 hoeve van de besproken regelsystemen.

De passiveringslaag 7 kan bovendien voor bepaalde golflengten zodanig dik gekozen worden dat in het geheel geen reflectie optreedt. Eventueel kunnen hiertoe oxyde-nitride lagen worden gebruikt. Tegelijkertijd kan de tussen de gebieden 6 gelegen verdikking 36 zodanig gekozen 35 worden dat de kromnen 17,18 in Figuur 4 een optimaal verloop vertonen.

8003906

Claims (18)

1. 2. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, net het kenmerk, dat de afstand tussen twee subelementen ten hoogste 10 micrometer bedraagt.
2. 3. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de afstand tussen twee subelementen circa 5 15 micrometer bedraagt.
3. 4. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat de stralingsgevoelige diode een aantal symmetrisch cm een punt van het oppervlak gelegen subelementen bevat. ! {
4. 5. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens één der conclusies 1 tot en met 5, met het kenmerk, dat de stralingsgevoelige diode tenminste een rij van naast elkaar gelegen subelementen bevat.
5. 6. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens één der ? conclusies 1 tot en met 5, net het kenmerk, dat de stralingsgevoelige 25 diode een subelement bevat dat de andere subelementen praktisch geheel omringt. I
6. 7. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat meerdere stralingsgevoelige dioden een gemeenschappelijk subelement bevatten.
7. 8. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting bevattende een ; ( halfgeleiderlichaam dat aan een praktisch vlak oppervlak tenminste een j stralingsgevoelige diode bevat met meerdere subelementen waarvan ten- ' minste één voorzien is van een aansluiting cm de door straling door het subelement gegenereerde stroom door het subelement te registreren, met 35 het kenmerk, dat de inrichting tenminste een schakelingselenent bevat ' waarmee een zodanige sperspanning over de stralingsgevoelige diode aangelegd kan worden dat tussen naburige subelementen gelegen gebieden geheel --gedepleerd worden door bij de subelementen. behorende uitputtingsgebieden^: 8 0 0 3 9 0 5 “"--~ - PUN 9796 ............ ............................15 ......... ..... ........ --9. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de afstand tussen twee subelementen ten hoogste . 10 micrometer bedraagt.
8. 10. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens 5 conclusie 8, met het kenmerk, dat de afstand tussen twee subelementen circa 5 micrometer bedraagt.
9. 11. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens één der conclusies 8 tot en met 10, roet het kenmerk, dat de inrichting een stroomdêtector voor door invallende stroming gegenereerde stroom 10 bevat.
10. 12. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de stroamdetector een weerstand bevat waarover de gegenereerde stroom een spanningsval doet ontstaan.
11. 13. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens één der 15 conclusies 8 tot en met 12, met het kenmerk, dat de stralingsgevoelige diode een aantal symmetrisch om een punt van het oppervlak gelegen subelementen bevat.
12. 14. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens êên der conclusies 8 tot en met 12, met het kenmerk, dat de stralingsgevoelige 20 diode tenminste een rij van naast elkaar gelegen subelementen bevat.
13. 15. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens één der conclusies 8 tot en met 12, met het kenmerk, dat de stralingsgevoelige diode een subelement bevat dat de andere subelementen praktisch geheel omringt.
14. 16. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens één der conclusies 8 tot en met 15, met hetkenmerk, dat meerdere stralingsgevoelige dioden een gemeenschappelijk subelement bevatten.
15. 17. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens één of meer der vorige conclusies, met het kenmerk, dat de inrichting 30 middelen bevat waardoor qp die plaatsen van het oppervlak waar uit-puttingsgebieden het oppervlak kunnen bereiken minder straling doordringt dan op andere plaatsen.
16. 18. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens conclusie 17, met hetkenmerk, dat het oppervlak van het halfgeleider- 35 lichaam bedekt is met een laag van anti-reflecterend materiaal die ter plaatse van de uitputtingsgebieden meer reflecteert dan ter plaatse van de subelementen. ------19. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting voor detectie________ 8 0 0 3 9 0 5------------------------------- i* PHN 9796 16 van deeltjesstraling volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat middelen een laag van deeltjesabsorberend passiveringsmateriaal bevatten.
17. 20. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens êên der conclusies 17 tot en met 19, met het kenmerk, dat de middelen een 5 doteringsmasker bevatten via welk masker tot de subelementen behorende halfgeleidergebieden in het halfgeleiderlichaam zijn aangebracht. 10 15 20 25 30 35
18. 8. Q 3 9 QJ...........