WO2009106032A1 - Radiation-receiving semiconductor component and method for operating the semiconductor component - Google Patents

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WO2009106032A1
WO2009106032A1 PCT/DE2009/000157 DE2009000157W WO2009106032A1 WO 2009106032 A1 WO2009106032 A1 WO 2009106032A1 DE 2009000157 W DE2009000157 W DE 2009000157W WO 2009106032 A1 WO2009106032 A1 WO 2009106032A1
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PCT/DE2009/000157
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Inventor
Ignaz Eisele
Ulrich Abelein
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Ketek Gmbh
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/112Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
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    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes

Definitions

  • the invention relates to a radiation receiving the semiconductor device and a method for operating the semiconductor device.
  • avalanche photodiodes can be used as semiconductor components (English: Avalanche Photo Diode, in short: APD).
  • APD Avalanche Photo Diode
  • an avalanche photodiode is suitable, for example, a reverse biased pin diode.
  • the operating voltage (blocking voltage) of the diode is chosen so that the diode goes into the state of avalanche breakdown when a single electron-hole pair in the intrinsic (i) zone occurs.
  • Achieving the breakdown state typically requires high field strengths, for example of 10 5 V / cm or more, and thus high reverse voltages, for example of 100 V or more.
  • the diode At constant operating voltage, the diode remains in the breakdown state.
  • a high-impedance resistor can be connected in series with the diode. The avalanche current can flow away via the resistor. Of the Voltage drop across the resistor leads to a reduction in the voltage across the diode (so-called quenching). Due to the voltage drop across the resistor, the field strength in the diode drops below the value required for avalanche breakdown. The current flowing through the diode will dry up in the sequence.
  • the diode can deliver a signal without any incident of a photon to be detected.
  • a radiation reception of the semiconductor component has a semiconductor body and a radiation entrance side.
  • Radiation inlet side can reach radiation to be detected in the semiconductor body, are absorbed there and subsequently generate a pair of charge carriers, in particular an electron-hole pair.
  • the semiconductor body has a detection area provided for the radiation reception, at least two electrical contact areas and at least one barrier area. Between the contact areas, a current path extends in Semiconductor body. During operation of the semiconductor component, charge carriers in the semiconductor body can flow from the one contact region to the other contact region via the current path.
  • the barrier region and the detection region are arranged in the current path between the contact regions.
  • the barrier region is preferably doped.
  • the barrier region is furthermore preferably suitable for forming a potential barrier and provided in particular.
  • the potential barrier is preferably formed and, in particular, arranged between the detection region and the contact region which, viewed along the current path, is arranged on the side of the barrier region facing away from the detection region.
  • the barrier region may be formed in such a way that a charge carrier flow from the one contact region into the other contact region before radiation absorption in the detection region is omitted and after radiation absorption charge carriers can flow from one into the other contact region.
  • the semiconductor component is designed and in particular operable such that in the semiconductor body, preferably in the detection region, a primary charge carrier, for example an electron or a hole, by impact ionization secondary charge carriers, for example an electron-hole pair or a plurality of electron -Hole pairs, can generate.
  • a primary charge carrier for example an electron or a hole
  • the primary charge carrier preferably an electron
  • the detection region can be designed such that the primary charge carrier can be generated by absorption of radiation in the detection region.
  • the semiconductor component is embodied and in particular operable such that a flow of charge carriers, for example of secondary charge carriers and / or charge carriers of a uniform charge carrier type (electrons or holes), which are generated in the semiconductor body and in particular in the detection region, from the Detection area through the barrier area and in that contact area, which is arranged along the current path on the side remote from the detection area of the barrier area, obstructed during operation of the device by means of the potential barrier or even prevented.
  • the charge carrier flow from one to the other contact area temporarily, more preferably only temporarily prevented or hindered.
  • the semiconductor component is embodied and in particular operable such that charge carriers, for example secondary charge carriers, of a charge carrier type generated in the semiconductor body and in particular in the detection region can drift to the barrier region and collect in the barrier region. By accumulating in the barrier region carriers, the height of the potential barrier can be reduced.
  • the charge carrier of the charge carrier type can be electrostatically attracted in the barrier region of ionized Dotierstoffatomrümpfen.
  • the in the barrier area Accumulated charge carriers can recombine with the ionized Dotierstoffatomrümpfen.
  • Electrons as charge carriers of this charge carrier type are suitably attracted to positively charged donor atomic bodies.
  • Holes, as charge carriers of this charge carrier type are suitably attracted to negatively charged acceptor bodies.
  • the charge carriers collecting in the barrier region are preferably
  • the semiconductor component is designed or, in particular, operated such that, after the potential barrier has been reduced, charge carriers can flow from one contact region through the barrier region and the detection region into the other contact region.
  • the charge carriers which flow from one to the other contact region are preferably charge carriers of the other charge carrier type - for example charge carriers of the type which do not collect in the barrier region or are impeded by the potential barrier.
  • the charge carriers of the other charge carrier type are electrons.
  • the semiconductor component can be designed as a unipolar component, that is to say as a component in which only charge carriers of a charge carrier type, preferably electrons, contribute significantly to the signal.
  • the semiconductor component has a control electrode.
  • This is preferably suitable for the application of an electrical control field to the barrier region and is particularly preferably provided.
  • the control field can be generated by means of a control voltage applied to the control electrode or a control potential applied to the control electrode.
  • the control electrode may extend over the barrier area.
  • the height of the potential barrier can be controlled via the control electrode and in particular the control voltage applied thereto or the control potential applied there.
  • a dielectric is arranged between the control electrode and the semiconductor body.
  • the dielectric for example a dielectric layer, preferably isolates the control electrode, in particular its entire surface, from the semiconductor body.
  • the dielectric is expediently designed such that electrical breakdown to the control electrode during operation of the semiconductor component is avoided.
  • control electrode extends over one or a plurality of the following areas: detection area, blocking area.
  • one or a plurality of the following ranges is embodied intrinsically: Detection area, restricted area.
  • the contact regions are doped.
  • the contact areas can be doped for the same line type or for different line types.
  • the barrier region is doped for a different conductivity type than the contact regions.
  • the detection area is preceded by one of the contact areas on the radiation entry side.
  • a window for the radiation entry into the detection region can be formed.
  • the barrier region is doped in such a way that the semiconductor component has a triangular-shaped potential barrier in the energy band diagram between the contact regions along the current path.
  • the detection region along the current path has an extent of between 100 nm and 1000 nm inclusive, preferably between 200 nm and 900 nm inclusive, more preferably between 300 nm and 800 nm inclusive.
  • the detection area along the current path has an extent which is greater than the extent of the blocking area along the current path.
  • the semiconductor component is designed as a vertical component.
  • the semiconductor component has a substrate on which the semiconductor body is arranged.
  • the detection region may be electrically isolated from the substrate.
  • the height of the potential barrier is expediently selected such that it can be reduced to such an extent by charge carrier accumulation of secondary charge carriers generated by impact ionization that a signal current can flow through the contact regions.
  • Operating point setting of the semiconductor device can be used.
  • the signal current can be 0.1 mA or more.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a
  • Radiation-receiving semiconductor device based on a schematic sectional view.
  • FIG. 2 shows, with reference to FIGS. 2A, 2B and 2C, schematic energy band diagrams for different operating states of the semiconductor component according to FIG. 1.
  • Figure 3 shows a plan view of an embodiment of a semiconductor device having a plurality of semiconductor devices.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a
  • Embodiment of a radiation detector Embodiment of a radiation detector.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a
  • FIG. 1 shows an embodiment of a
  • the radiation-receiving semiconductor component 1 has a semiconductor body 2.
  • the semiconductor component further has a radiation entrance side 3.
  • the semiconductor body 2 has two electrical contact areas 4, 5. Between the contact regions 4 and 5, in particular from the contact region 5 up to and into the contact region 6, an electrical current path 6 extends in the semiconductor body 2. In the current path 6 between the contact regions 4 and 5 and in particular also spatially between the contact regions is a detection region 7 of the semiconductor device 1 in the semiconductor body 2 is arranged.
  • the semiconductor body 2 also has a barrier region 8.
  • the barrier region 8 is arranged in the current path 6 between the detection region 7 and the contact region 5 and in particular also spatially between the detection region 7 and the contact region 5.
  • the barrier area 8 is preferably arranged on the side of the detection area 7 facing away from the radiation entrance side 3.
  • the semiconductor body 2 has a blocking region 9.
  • the blocking region 9 is in the current path 6 between the Barrier area 8 and the contact area 5 and in particular also arranged spatially between the barrier area 8 and the contact area 5.
  • the semiconductor body 2 may comprise a layer stack, wherein in each case layers for the contact area 5, the blocking area 9, the barrier area 8, the detection area 7 and / or the contact area 4 are provided.
  • a contact layer 4, a detection layer 7, a barrier layer 8, a barrier layer 9 and / or a contact layer 5 can be provided.
  • the respective layers may be embodied as separate layers.
  • the respective layers may be grown epitaxially, for example by MBE (MBE: molecular beam epitaxy) or by means of a CVD epitaxy process (chemical vapor epitaxy).
  • the contact region 5 can be formed by the growth substrate on which the layers are epitaxially deposited. Thus, it is not necessary to provide a separately grown contact layer 5, but instead the growth substrate can be used, as shown in FIG.
  • the component shown in Figure 1 is designed as a vertical component.
  • layers for the individual areas can be stacked one above the other.
  • a current flow can take place in vertical components perpendicular or substantially perpendicular to a lateral main extension direction of the layer stack of the semiconductor body 2, which can be aligned along a main surface of the substrate.
  • a mesa can emerge from the epitaxial layers be formed.
  • a suitable mask for example a (metal or nitride) hard mask, is suitable for this purpose.
  • the mesa can extend from the radiation entrance side 3 of the semiconductor component 1, which is preferably the side of the semiconductor layer stack facing away from the substrate, as far as or even into the contact region 5, that is to say possibly into the substrate.
  • the contact region 5, the blocking region 9, the barrier region 8, the detection region 7 and / or the contact region 4 may contain silicon or consist of silicon, wherein individual regions may optionally be doped.
  • the detection area 7 is provided for the absorption of radiation to be detected, which incident on the radiation entrance side into the semiconductor body 2.
  • a window 15 extending to the detection region 7 may be formed in the semiconductor body 2.
  • the radiation inlet side arranged contact region 4 may be recessed for the window 15.
  • the terminal 10 can be recessed.
  • Radiation can thus enter the detection area unhindered by the material of the semiconductor body 2 or of the connection 10, in which a significant proportion of radiation can be absorbed, the absorbed radiation correspondingly no longer reaching the detection area 7. The risk of absorption losses is thus reduced. Particularly high absorption losses often result in doped semiconductor material or in metals.
  • the detection area 7 is designed such that secondary charge carriers can be generated via impact ionization of primary charge carriers.
  • a primary charge carrier may be, for example, an electron or hole produced by absorption of radiation in the detection region.
  • the detection region preferably has an extension, for example a thickness, along the current path 6, which is large enough to be able to achieve one or a plurality of impact ionizations with the primary charge carrier.
  • the path length available for accelerating the charge carriers for the generation of secondary charge carriers by impact ionization is then advantageously sufficiently large. However, it may also be advantageous not to detect the detection area with too great an extent, for Example, the thickness, form, to avoid recombination of impact ionization generated secondary carriers in the detection area.
  • An extension of the detection region 7 along the current path for example the thickness, of between 100 nm and 1000 nm inclusive, preferably between 200 nm and 900 nm inclusive, more preferably between 300 nm and 800 nm inclusive, for example between 350 nm and 500 nm, such as 400 nm, has been found to be particularly suitable.
  • Such extensions both provide a sufficiently long distance to generate
  • the stopband may have an extension along the current path that is less than that of the detection region.
  • the extension of the stop band 9, for example, the thickness may be 20 nm or more and / or 50 nm or less.
  • the contact regions 4, 5 and the barrier region 8 are expediently doped, in particular n-type or p-type doped.
  • the contact regions and the barrier region can be doped for the same conductivity type (p-type or n-type).
  • the contact areas may alternatively be doped for different types of lines.
  • the barrier region 8 may be doped for a different conductivity type than one of the contact regions 4, 5 or both contact regions.
  • the semiconductor component 1 is furthermore preferably designed in such a way that, during operation in the energy band diagram, a potential barrier is formed along the current path 6 between the contact regions 4 and 5.
  • the potential barrier preferably has a triangular shape. A triangular shaping of the potential barrier has proven to be particularly suitable for the generation of charge carriers by impact ionization in the detection region 7.
  • the potential barrier is expediently formed by means of the barrier region 8.
  • the dopant profile of the barrier area with respect to the adjacent areas - for example, the (intrinsic) Detection area 8 and in particular the (intrinsic) stopband 9 - may be approximated to a Dirac ⁇ function. Therefore, such a highly doped and preferably thin barrier layer layer can also be referred to as ⁇ -layer.
  • the holes generated by impact ionization in the detection region 7 - primary and secondary holes - flow to the barrier region 8.
  • the holes are accelerated by the potential gradient, in particular in the direction of the barrier region 8.
  • numerous negatively charged acceptor atomic bodies are present due to the p-doping.
  • positively charged and there accumulating holes at least a portion of the negative charges of the acceptor atomic bodies is compensated, so that the height of the potential barrier P is reduced.
  • the holes can in particular recombine with the dopant fumes in the barrier region.
  • the height of the potential barrier can be reduced so much by the accumulation of secondary charge carriers in the barrier region 8 alone that a signal current I, which in particular from the
  • the holes accumulated in the barrier region 8 preferably remain in the barrier region after the potential barrier has been reduced to the signal current flow.
  • the holes can be kept in the barrier area in particular by the previously ionized dopant atoms and / or already be recombined with them. Furthermore, holes have a higher effective mass than the electrons, so that even a comparatively small residual potential barrier is sufficient to hold the holes in the barrier region, while the electrons can overcome such a residual potential barrier as opposed to the holes.
  • the semiconductor device can be operated with analog dimensioning to a given avalanche photodiode in comparison with the avalanche photodiode with much lower contact voltages (operating voltages).

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Abstract

A radiation-receiving semiconductor component (1) having a semiconductor body (2) and a radiation inlet side (3) is provided, wherein the semiconductor body comprises a detection region (7) provided for radiation reception, at least two electrical contact regions (4, 5), and at least one doped barrier region (8), a current path (6) extending between the contact regions in the semiconductor body, the barrier region and the detection region being disposed in the current path between the contact regions, and the barrier region being suitable for configuring a potential barrier, which is disposed between the detection region and that contact region which is located on the side of the barrier region facing away from the detection region, as viewed along the current path.

Description

Beschreibungdescription
Strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement und Verfahren zum Betreiben des HalbleiterbauelementsA radiation-receiving semiconductor component and method for operating the semiconductor component
Die Erfindung betrifft ein Strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement und ein Verfahren zum Betreiben des Halbleiterbauelements .The invention relates to a radiation receiving the semiconductor device and a method for operating the semiconductor device.
Für Strahlungsdetektoren auf Halbleiterbasis können zum Beispiel Lawinen-Photodioden als Halbleiterbauelemente eingesetzt werden (englisch: Avalanche Photo Diode, kurz: APD) . Als Lawinen-Photodiode eignet sich zum Beispiel eine in Sperrrichtung vorgespannten p-i-n-Diode. Die Betriebsspannung (Sperrspannung) der Diode wird dabei so gewählt, dass die Diode beim Auftreten eines einzelnen Elektronen-Loch-Paares in der intrinsischen (i) Zone in den Zustand des Lawinendurchbruchs übergeht. Über Lawinenmultiplikation der Elektronen und Löcher im Durchbruchszustand kann ein signifikantes messbares Signal erhalten werden, zu dem sowohl die Elektronen als auch die Löcher beitragen. Für das Erreichen des Durchbruchszustandes sind typischerweise hohe Feldstärken, zum Beispiel von 105 V/cm oder mehr, und damit hohe Sperrspannungen, zum Beispiel von 100 V oder mehr, erforderlich .For radiation detectors based on semiconductors, for example, avalanche photodiodes can be used as semiconductor components (English: Avalanche Photo Diode, in short: APD). As an avalanche photodiode is suitable, for example, a reverse biased pin diode. The operating voltage (blocking voltage) of the diode is chosen so that the diode goes into the state of avalanche breakdown when a single electron-hole pair in the intrinsic (i) zone occurs. By avalanche multiplication of the electrons and holes in the breakdown state, a significant measurable signal can be obtained to which both the electrons and the holes contribute. Achieving the breakdown state typically requires high field strengths, for example of 10 5 V / cm or more, and thus high reverse voltages, for example of 100 V or more.
Bei konstanter Betriebsspannung bleibt die Diode im Durchbruchszustand. Um die Diode wieder in den Ausgangszustand - also den nicht durchgebrochenen Zustand - zu bringen und die Diode somit wieder für eine weitere Strahlungsdetektion bereit zu machen, kann ein hochohmiger Widerstand in Serie zu der Diode geschaltet werden. Der Lawinenstrom kann über den Widerstand abfließen. Der Spannungsabfall über dem Widerstand führt zu einer Reduzierung der Spannung an der Diode (so genanntes Quenching) . Aufgrund des Spannungsabfalls am Widerstand sinkt die Feldstärke in der Diode bis unter den für den Lawinendurchbruch erforderlichen Wert . Der durch die Diode fließende Strom versiegt in der Folge.At constant operating voltage, the diode remains in the breakdown state. In order to bring the diode back into the initial state-that is, the non-broken state-and thus make the diode ready again for further radiation detection, a high-impedance resistor can be connected in series with the diode. The avalanche current can flow away via the resistor. Of the Voltage drop across the resistor leads to a reduction in the voltage across the diode (so-called quenching). Due to the voltage drop across the resistor, the field strength in the diode drops below the value required for avalanche breakdown. The current flowing through the diode will dry up in the sequence.
Bei der APD können auch thermisch oder durch Tunneleffekte, zum Beispiel Band-zu-Band-Tunneln, generierte Elektronen- Loch-Paare den Lawinendurchbruch auslösen. Die Diode kann also ein Signal liefern, ohne dass überhaupt ein zu detektierendes Photon eingefallen ist.In APD, electron-hole pairs generated thermally or through tunneling effects, such as band-to-band tunneling, can also trigger avalanche breakdown. Thus, the diode can deliver a signal without any incident of a photon to be detected.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Bauelements anzugeben.An object to be solved is to specify an improved radiation reception of the semiconductor component and a method for operating this component.
Diese Aufgabe wird zum Beispiel durch .die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved, for example, by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper und eine Strahlungseintrittsseite auf. Über dieAccording to one embodiment, a radiation reception of the semiconductor component has a semiconductor body and a radiation entrance side. About the
Strahlungseintrittsseite kann zu detektierende Strahlung in den Halbleiterkörper gelangen, dort absorbiert werden und in der Folge ein Ladungsträgerpaar, insbesondere ein Elektron- Loch-Paar, erzeugen.Radiation inlet side can reach radiation to be detected in the semiconductor body, are absorbed there and subsequently generate a pair of charge carriers, in particular an electron-hole pair.
Der Halbleiterkörper weist einen für den Strahlungsempfang vorgesehenen Detektionsbereich, zumindest zwei elektrische Kontaktbereiche und zumindest einen Barrierebereich auf. Zwischen den Kontaktbereichen erstreckt sich ein Strompfad im Halbleiterkörper. Über den Strompfad können im Betrieb des Halbleiterbauelements Ladungsträger im Halbleiterkörper von dem einen Kontaktbereich zu dem anderen Kontaktbereich fließen. Der Barrierebereich und der Detektionsbereich sind in dem Strompfad zwischen den Kontaktbereichen angeordnet. Der Barrierebereich ist vorzugsweise dotiert ausgeführt.The semiconductor body has a detection area provided for the radiation reception, at least two electrical contact areas and at least one barrier area. Between the contact areas, a current path extends in Semiconductor body. During operation of the semiconductor component, charge carriers in the semiconductor body can flow from the one contact region to the other contact region via the current path. The barrier region and the detection region are arranged in the current path between the contact regions. The barrier region is preferably doped.
Der Barrierebereich ist weiterhin bevorzugt zur Ausbildung einer Potentialbarriere geeignet und insbesondere vorgesehen. Die Potentialbarriere ist bevorzugt zwischen dem Detektionsbereich und demjenigen Kontaktbereich ausgebildet und insbesondere angeordnet, welcher entlang des Strompfades gesehen auf der von dem Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs angeordnet ist. Über die Potentialbarriere kann im Betrieb des Halbleiterbauelements, zum Beispiel bei einer zwischen den Kontaktbereichen angelegten Kontaktspannung, ein Ladungsträgerfluss von dem einen Kontaktbereich in den anderen Kontaktbereich behindert oder sogar verhindert werden. Der Barrierebereich kann derart ausgebildet sein, dass ein Ladungsträgerfluss von dem einen Kontaktbereich in den anderen Kontaktbereich vor einer Strahlungsabsorption im Detektionsbereich unterbleibt und nach einer Strahlungsabsorption Ladungsträger von dem einen in den anderen Kontaktbereich fließen können.The barrier region is furthermore preferably suitable for forming a potential barrier and provided in particular. The potential barrier is preferably formed and, in particular, arranged between the detection region and the contact region which, viewed along the current path, is arranged on the side of the barrier region facing away from the detection region. During the operation of the semiconductor component, for example when the contact voltage is applied between the contact regions, it is possible, via the potential barrier, to hinder or even prevent a charge carrier flow from one contact region into the other contact region. The barrier region may be formed in such a way that a charge carrier flow from the one contact region into the other contact region before radiation absorption in the detection region is omitted and after radiation absorption charge carriers can flow from one into the other contact region.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement derart ausgebildet und insbesondere betreibbar, dass in dem Halbleiterkörper, vorzugsweise im Detektionsbereich, ein Primärladungsträger, zum Beispiel ein Elektron oder ein Loch, mittels Stoßionisation Sekundärladungsträger, zum Beispiel ein Elektron-Loch-Paar oder eine Mehrzahl von Elektron-Loch- Paaren, erzeugen kann. Der Primärladungsträger, vorzugsweise ein Elektron, kann durch Absorption von zu detektierender Strahlung im Detektionsbereich erzeugt sein. Der Detektionsbereich kann derart ausgebildet sein, dass der Primärladungsträger durch Absorption von Strahlung im Detektionsbereich erzeugbar ist.In a preferred embodiment, the semiconductor component is designed and in particular operable such that in the semiconductor body, preferably in the detection region, a primary charge carrier, for example an electron or a hole, by impact ionization secondary charge carriers, for example an electron-hole pair or a plurality of electron -Hole pairs, can generate. The primary charge carrier, preferably an electron, can be generated by absorption of radiation to be detected in the detection area. The detection region can be designed such that the primary charge carrier can be generated by absorption of radiation in the detection region.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement derart ausgebildet und insbesondere betreibbar, dass ein Fluss von Ladungsträgern, zum Beispiel von Sekundärladungsträgern und/oder von Ladungsträgern eines einheitlichen Ladungsträgertyps (Elektronen oder Löcher) , welche im Halbleiterkörper und insbesondere im Detektionsbereich erzeugt werden, aus dem Detektionsbereich durch den Barrierebereich und in denjenigen Kontaktbereich, welcher entlang des Strompfads gesehen auf der von dem Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs angeordnet ist, im Betrieb des Bauelements mittels der Potentialbarriere behindert oder sogar verhindert werden kann. Bevorzugt wird der Ladungsträgerfluss von dem einen in den anderen Kontaktbereich temporär, besonders bevorzugt nur temporär, verhindert oder behindert.In a further preferred refinement, the semiconductor component is embodied and in particular operable such that a flow of charge carriers, for example of secondary charge carriers and / or charge carriers of a uniform charge carrier type (electrons or holes), which are generated in the semiconductor body and in particular in the detection region, from the Detection area through the barrier area and in that contact area, which is arranged along the current path on the side remote from the detection area of the barrier area, obstructed during operation of the device by means of the potential barrier or even prevented. Preferably, the charge carrier flow from one to the other contact area temporarily, more preferably only temporarily prevented or hindered.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement derart ausgebildet und insbesondere betreibbar, dass im Halbleiterkörper und insbesondere im Detektionsbereich erzeugte Ladungsträger, zum Beispiel Sekundärladungsträger, eines Ladungsträgertyps zu dem Barrierebereich driften und sich im Barrierebereich sammeln können. Durch im Barrierebereich angesammelte Ladungsträger kann die Höhe der Potentialbarriere verringert werden.In a further preferred refinement, the semiconductor component is embodied and in particular operable such that charge carriers, for example secondary charge carriers, of a charge carrier type generated in the semiconductor body and in particular in the detection region can drift to the barrier region and collect in the barrier region. By accumulating in the barrier region carriers, the height of the potential barrier can be reduced.
Die Ladungsträger des Ladungsträgertyps können im Barrierebereich von ionisierten Dotierstoffatomrümpfen elektrostatisch angezogen werden. Die im Barrierebereich akkumulierten Ladungsträger können mit den ionisierten Dotierstoffatomrümpfen rekombinieren. Elektronen als Ladungsträger dieses Ladungsträgertyps werden zweckmäßigerweise von positiv geladenen Donatoratomrümpfen angezogen. Löcher werden als Ladungsträger dieses Ladungsträgertyps zweckmäßigerweise von negativ geladenen Akzeptoratomrümpfen angezogen. Die sich im Barrierebereich sammelnden Ladungsträger sind vorzugsweiseThe charge carrier of the charge carrier type can be electrostatically attracted in the barrier region of ionized Dotierstoffatomrümpfen. The in the barrier area Accumulated charge carriers can recombine with the ionized Dotierstoffatomrümpfen. Electrons as charge carriers of this charge carrier type are suitably attracted to positively charged donor atomic bodies. Holes, as charge carriers of this charge carrier type, are suitably attracted to negatively charged acceptor bodies. The charge carriers collecting in the barrier region are preferably
Sekundärladungsträger. Aufgrund der höheren effektiven Masse sind Löcher für die Akkumulation im Barrierebereich besonders geeignet. Elektronen eignen sich dagegen besonders für die Erzeugung von Sekundärladungsträgern durch Stoßionisation, insbesondere aufgrund der geringeren effektiven Masse im Vergleich zu Löchern.Secondary carriers. Due to the higher effective mass, holes are particularly suitable for accumulation in the barrier area. In contrast, electrons are particularly suitable for the generation of secondary charge carriers by impact ionization, in particular due to the lower effective mass compared to holes.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement derart ausgebildet oder insbesondere betreibbar, dass nach Verringerung der Potentialbarriere Ladungsträger von einem Kontaktbereich durch den Barrierebereich und den Detektionsbereich in den anderen Kontaktbereich fließen können. Die Ladungsträger, die von dem einen in den anderen Kontaktbereich fließen, sind vorzugsweise Ladungsträger des anderen Ladungsträgertyps - zum Beispiel Ladungsträger des Typs, welche sich nicht im Barrierebereich sammeln oder durch die Potentialbarriere behindert werden. Vorzugsweise sind die Ladungsträger des anderen Ladungsträgertyps Elektronen.In a further preferred refinement, the semiconductor component is designed or, in particular, operated such that, after the potential barrier has been reduced, charge carriers can flow from one contact region through the barrier region and the detection region into the other contact region. The charge carriers which flow from one to the other contact region are preferably charge carriers of the other charge carrier type - for example charge carriers of the type which do not collect in the barrier region or are impeded by the potential barrier. Preferably, the charge carriers of the other charge carrier type are electrons.
Dies hat den Vorteil, dass ein Signal des Detektors nicht ausschließlich von der Stoßionisation wie bei einer Lawinen- Photodiode getragen wird, sondern vielmehr durch einen Ladungsträgerfluss von dem einen Kontaktbereich zum anderen Kontaktbereich, der nach ausreichender Verringerung der Potentialbarriere einsetzt. Das Halbleiterbauelement kann als unipolares Bauelement, also als Bauelement, bei dem nur Ladungsträger eines Ladungsträgertyps, vorzugsweise Elektronen, signifikant zum Signal beitragen, ausgebildet sein.This has the advantage that a signal of the detector is not carried solely by the impact ionization as in an avalanche photodiode, but rather by a charge carrier flow from one contact region to the other contact region, which after sufficiently reducing the Potential barrier uses. The semiconductor component can be designed as a unipolar component, that is to say as a component in which only charge carriers of a charge carrier type, preferably electrons, contribute significantly to the signal.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Halbleiterbauelement eine Steuerelektrode auf. Diese ist bevorzugt für das Anlegen eines elektrischen Steuerfeldes an den Barrierebereich geeignet und besonders bevorzugt vorgesehen. Das Steuerfeld kann mittels einer an die Steuerelektrode angelegten Steuerspannung beziehungsweise einem an die Steuerelektrode angelegten Steuerpotential erzeugt werden. Die Steuerelektrode kann sich über den Barrierebereich erstrecken. Über die Steuerelektrode und insbesondere die dort angelegte Steuerspannung beziehungsweise das dort angelegte Steuerpotential kann die Höhe der Potentialbarriere gesteuert werden. Zweckmäßigerweise ist zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleiterkörper ein Dielektrikum angeordnet. Das Dielektrikum, zum Beispiel eine Dielektriumsschicht, isoliert mit Vorzug die Steuerelektrode, insbesondere vollflächig, vom Halbleiterkörper. Das Dielektrikum ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass ein elektrisches Durchschlagen zur Steuerelektrode im Betrieb des Halbleiterbauelements vermieden wird. Die Steuerelektrode erstreckt sich bevorzugt über den Detektionsbereich. Durch das Anlegen einer geeigneten SteuerSpannung beziehungsweise eines geeigneten Steuerpotentials an die Steuerelektrode kann im Detektionsbereich ein leitender Kanal für den Ladungsträgerdurchtritt durch den Detektionsbereich ausgebildet werden. Der Kanal kann zum Beispiel ein n-Kanal sein. Der Ladungsträgerdurchtritt durch den Detektionsbereich nach dem Abbau der Potentialbarrάere wird so erleichtert.In a further preferred embodiment, the semiconductor component has a control electrode. This is preferably suitable for the application of an electrical control field to the barrier region and is particularly preferably provided. The control field can be generated by means of a control voltage applied to the control electrode or a control potential applied to the control electrode. The control electrode may extend over the barrier area. The height of the potential barrier can be controlled via the control electrode and in particular the control voltage applied thereto or the control potential applied there. Expediently, a dielectric is arranged between the control electrode and the semiconductor body. The dielectric, for example a dielectric layer, preferably isolates the control electrode, in particular its entire surface, from the semiconductor body. The dielectric is expediently designed such that electrical breakdown to the control electrode during operation of the semiconductor component is avoided. The control electrode preferably extends over the detection area. By applying a suitable control voltage or a suitable control potential to the control electrode, a conductive channel for the carrier passage through the detection area can be formed in the detection area. The channel may, for example, be an n-channel be. The charge carrier passage through the detection area after the degradation of the Potentialbarrάere is facilitated.
Wird im Betrieb des Halbleiterbauelements ein Photon im Detektionsbereich absorbiert, können mittels der durch Absorption erzeugten Ladungsträger weitere Ladungsträger durch Stoßionisationen im Detektionsbereich erzeugt werden. Durch zum Barrierebereich driftende Ladungsträger kann die Barrierenhöhe verringert werden und es kann ein Signalstrom fließen. Das Halbleiterbauelement ist besonders zur Detektion von Einzelphotonen oder Strahlungspulsen, insbesondere ultrakurzen Pulsen, zum Beispiel im Nanosekunden- , Picosekunden- oder Femtosekundenbereich, geeignet und vorzugsweise ausgebildet. Weiterhin eignet sich das Halbleiterbauelement als Photonenzähler.If a photon is absorbed in the detection region during operation of the semiconductor component, further charge carriers can be generated by impact ionization in the detection region by means of the charge carriers generated by absorption. By charge carriers drifting to the barrier region, the barrier height can be reduced and a signal current can flow. The semiconductor component is particularly suitable and preferably designed for the detection of single photons or radiation pulses, in particular ultrashort pulses, for example in the nanosecond, picosecond or femtosecond range. Furthermore, the semiconductor device is suitable as a photon counter.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist entlang des Strompfads gesehen auf der vom Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs ein Sperrbereich im Halbleiterkörper vorgesehen. Der Sperrbereich ist bevorzugt derart ausgeführt, dass im Betrieb des Bauelements ein Tunneln von Ladungsträgern von dem Barrierebereich in den entlang des Strompfades gesehen auf der vom Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs angeordneten Kontaktbereich vermeidbar oder minderbar ist .In a further preferred refinement, a blocking region in the semiconductor body is provided along the current path on the side of the barrier region which faces away from the detection region. The blocking region is preferably embodied such that, during operation of the component, tunneling of charge carriers from the barrier region in the contact region arranged on the side of the barrier region remote from the detection region along the current path can be avoided or reduced.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich die Steuerelektrode über einen oder eine Mehrzahl folgender Bereiche: Detektionsbereich, Sperrbereich.In a further preferred embodiment, the control electrode extends over one or a plurality of the following areas: detection area, blocking area.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist einer oder eine Mehrzahl folgender Bereiche intrinsisch ausgeführt: Detektionsbereich, Sperrbereich.In a further preferred embodiment, one or a plurality of the following ranges is embodied intrinsically: Detection area, restricted area.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Kontaktbereiche dotiert ausgeführt. Die Kontaktbereiche können für den gleichen Leitungstypen oder für verschiedene Leitungstypen dotiert sein.In a further preferred embodiment, the contact regions are doped. The contact areas can be doped for the same line type or for different line types.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Barrierebereich für den gleichen Leitungstypen dotiert wie die Kontaktbereiche .In a further preferred embodiment, the barrier region is doped for the same conductivity type as the contact regions.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Barrierebereich für einen anderen Leitungstypen dotiert als die Kontaktbereiche.In a further preferred embodiment, the barrier region is doped for a different conductivity type than the contact regions.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist dem Detektionsbereich strahlungseintrittsseitig einer der Kontaktbereiche vorgeordnet. In diesem Kontaktbereich kann ein Fenster für den Strahlungseintritt in den Detektionsbereich ausgebildet sein.In a further preferred refinement, the detection area is preceded by one of the contact areas on the radiation entry side. In this contact region, a window for the radiation entry into the detection region can be formed.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist dem Detektionsbereich strahlungseintrittsseitig eine Antireflexionsschicht vorgeordnet. Die Antireflexionsschicht kann im Fenster angeordnet sein.In a further preferred refinement, an antireflection layer is arranged upstream of the detection area on the radiation entry side. The antireflection layer can be arranged in the window.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Barrierebereich hochdotiert ausgeführt. Der Barrierebereich kann eine Dotierstoffkonzentration von 1 * 1019 l/cm3 oder mehr, 1 * 1020 l/cm3 oder mehr oder von 1 * 1021 l/cm3 oder mehr aufweisen. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Barrierebereich derart dotiert, dass ein scharfer Anstieg in der Dotierstoffkonzentration gegenüber Bereichen des Halbleiterkörpers ausgebildet ist, die entlang des Strompfads an den Barrierebereich angrenzen. DieIn a further preferred embodiment, the barrier area is designed highly doped. The barrier region may have a dopant concentration of 1 * 10 19 l / cm 3 or more, 1 * 10 20 l / cm 3 or more, or 1 * 10 21 l / cm 3 or more. In a further preferred embodiment, the barrier region is doped such that a sharp increase in the dopant concentration is formed in relation to regions of the semiconductor body which adjoin the barrier region along the current path. The
Dotierstoffkonzentration entlang des Strompfads beim Übergang von außerhalb des Barrierebereichs in den Barrierebereich oder innerhalb des Barrierebereichs kann sich auf einer Strecke von 10 nm oder weniger entlang des Strompfads um das Fünffache oder mehr, bevorzugt um das Siebenfache oder mehr, besonders bevorzugt das Neunfache oder mehr, erhöhen.Dopant concentration along the current path in the transition from outside the barrier area to the barrier area or within the barrier area may be fivefold or more, preferably seven times or more, more preferably nine times or more, along the pathway over a distance of 10 nm or less. increase.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Barrierebereich derart dotiert, dass das Halbleiterbauelement entlang des Strompfades eine dreiecksartig geformte Potentialbarriere im Energiebanddiagramm zwischen den Kontaktbereichen aufweist.In a further preferred embodiment, the barrier region is doped in such a way that the semiconductor component has a triangular-shaped potential barrier in the energy band diagram between the contact regions along the current path.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der Barrierebereich, der Detektionsbereich und vorzugsweise der Sperrbereich derart aufeinander abgestimmt, dass das Halbleiterbauelement entlang des Strompfades eine dreiecksartig geformte Potentialbarriere im Energiebanddiagramm zwischen den Kontaktbereichen aufweist.In a further preferred refinement, the barrier region, the detection region and preferably the blocking region are matched to one another such that the semiconductor component has a triangular-shaped potential barrier in the energy band diagram between the contact regions along the current path.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Barrierebereich entlang des Strompfades gesehen eine Ausdehnung von 20 nm oder weniger, bevorzugt von 15 nm oder weniger, besonders bevorzugt von 12 nm oder weniger auf.In a further preferred embodiment, the barrier region along the current path has an extension of 20 nm or less, preferably 15 nm or less, particularly preferably 12 nm or less.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Barrierebereich entlang des Strompfades gesehen eine Ausdehnung von 3 nm oder mehr, bevorzugt von 5 nm oder mehr, besonders bevorzugt von 10 nm oder mehr, auf.In a further preferred embodiment, the barrier region along the current path has an extent of 3 nm or more, preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Detektionsbereich entlang des Strompfades eine Ausdehnung von 100 nm oder mehr, bevorzugt von 300 nm oder mehr, besonders bevorzugt von 500 nm oder mehr auf.In a further preferred embodiment, the detection region along the current path has an extension of 100 nm or more, preferably 300 nm or more, more preferably 500 nm or more.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Detektionsbereich entlang des Strompfades eine Ausdehnung von zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 1000 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 200 nm und einschließlich 900 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 800 nm, auf.In a further preferred embodiment, the detection region along the current path has an extent of between 100 nm and 1000 nm inclusive, preferably between 200 nm and 900 nm inclusive, more preferably between 300 nm and 800 nm inclusive.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Detektionsbereich entlang des Strompfades eine Ausdehnung auf, die größer ist als die Ausdehnung des Sperrbereichs entlang des Strompfades.In a further preferred refinement, the detection area along the current path has an extent which is greater than the extent of the blocking area along the current path.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement zur Detektion eines Einzelphotons oder eines Strahlungspulses geeignet und insbesondere ausgebildet.In a further preferred embodiment, the semiconductor component is suitable for the detection of a single photon or a radiation pulse and in particular formed.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement als Photonenzähler geeignet und insbesondere ausgebildet .In a further preferred embodiment, the semiconductor component is suitable as a photon counter and in particular formed.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung basiert der Halbleiterkörper auf Silizium.In a further preferred refinement, the semiconductor body is based on silicon.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement als unipolares Bauelement ausgeführt. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Halbleiterkörper eine oder eine Mehrzahl von Epitaxieschichten auf.In a further preferred embodiment, the semiconductor component is designed as a unipolar component. In a further preferred embodiment, the semiconductor body has one or a plurality of epitaxial layers.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement als vertikales Bauelement ausgebildet.In a further preferred embodiment, the semiconductor component is designed as a vertical component.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Halbleiterkörper einen Halbleiterschichtstapel auf, wobei der Halbleiterschichtstapel jeweils eine gesonderte Schicht für einen, eine Mehrzahl oder alle der folgenden Bereiche aufweist: den einen Kontaktbereich, den anderen Kontaktbereich, den Barrierebereich, den Detektionsbereich, den Sperrbereich.In a further preferred embodiment, the semiconductor body has a semiconductor layer stack, the semiconductor layer stack each having a separate layer for one, a plurality or all of the following areas: the one contact area, the other contact area, the barrier area, the detection area, the blocking area.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement als laterales Bauelement ausgebildet.In a further preferred embodiment, the semiconductor component is designed as a lateral component.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Kontaktbereiche, der Barrierebereich und der Detektionsbereich lateral nebeneinander angeordnet, vorzugsweise in einer gemeinsamen Halbleiterschicht ausgebildet .In a further preferred embodiment, the contact regions, the barrier region and the detection region are arranged laterally next to one another, preferably in a common semiconductor layer.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Halbleiterbauelement ein Substrat auf, auf dem der Halbleiterkörper angeordnet ist. Der Detektionsbereich kann elektrisch von dem Substrat isoliert sein.In a further preferred refinement, the semiconductor component has a substrate on which the semiconductor body is arranged. The detection region may be electrically isolated from the substrate.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Halbleiterbauelement eine modifizierte MOSFET-Struktur, auf, wobei ein Kontaktbereich für die Source, der andere Kontaktbereich für die Drain sowie die Steuerelektrode als Gateelektrode vorgesehen ist und wobei der Detektionsbereich zwischen dem Barrierebereich und der Drain angeordnet ist.In a further preferred embodiment, the semiconductor component has a modified MOSFET structure, wherein one contact region for the source, the other contact region for the drain and the control electrode as Gate electrode is provided and wherein the detection area between the barrier region and the drain is arranged.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Detektionsbereich, der eine Kontaktbereich, der andere Kontaktbereich, der Sperrbereich, die Steuerelektrode und/oder das Dielektrikum Teil eines Transistors.In a further preferred refinement, the detection region, which is a contact region, the other contact region, the blocking region, the control electrode and / or the dielectric is part of a transistor.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement verschieden von einer Diode mit dreiecksförmiger Barriere (Triangulär Barrier Diode) .In a further preferred embodiment, the semiconductor device is different from a triangular-shaped barrier diode (triangular barrier diode).
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Halbleiteranordnung eine Mehrzahl von StrahlungsempfangendenAccording to one embodiment, a semiconductor device comprises a plurality of radiation receiving ends
Halbleiterbauelementen der weiter oben beschriebenen Art. Die Halbleiteranordnung kann monolithisch integriert ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Halbleiteranordnung zehn oder mehr, vorzugsweise zwanzig oder mehr, Halbleiterbauelemente umfassen. Durch eine Mehrzahl an Halbleiterbauelementen wird die zur Verfügung stehende Detektionsflache vergrößert. Die Halbleiteranordnung kann insbesondere ein für alle Halbleiterbauelemente der Halbleiteranordnung gemeinsames Substrat, insbesondere ein Halbleitersubstrat, aufweisen. Dieses Substrat kann einen der Kontaktbereiche bilden.Semiconductor devices of the type described above. The semiconductor device may be designed monolithically integrated. For example, the semiconductor device may comprise ten or more, preferably twenty or more, semiconductor devices. By a plurality of semiconductor devices, the available detection area is increased. In particular, the semiconductor device may have a substrate which is common to all semiconductor components of the semiconductor device, in particular a semiconductor substrate. This substrate may form one of the contact areas.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Strahlungsdetektor ein Halbleiterbauelement oder eine Halbleiteranordnung der oben beschriebenen Art. Der Strahlungsdetektor ist bevorzugt zur Detektion von Strahlung mit Wellenlängen außerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs geeignet und besonders bevorzugt ausgebildet. Dabei weist der Strahlungsdetektor bevorzugt ein Umwandlungselement auf, welches einfallende Strahlung, die im Detektionsbereich nicht absorbiert und dementsprechend auch kein Elektronen-Loch-Paar erzeugen würde, in Strahlung umwandelt, die im Detektionsbereich absorbiert werden kann. Der Strahlungsdetektor kann hierdurch an spezielle Wellenlängenbereiche der zu detektierenden Strahlung angepasst werden, ohne dass der Detektionsbereich verändert werden müsste. Dies hat Vorteile bei der Fertigung der Halbleiterbauelemente für einen Strahlungsdetektor, da diese gleichartig vorgefertigt werden können und mit verschiedenen Umwandlungselementen an verschiedene zu detektierende Wellenlängen angepasst werden können. Beispielsweise kann der Strahlungsdetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung ausgebildet sein. Hierzu kann ein Szintillator als Umwandlungselement vorgesehen sein.According to one embodiment, a radiation detector comprises a semiconductor component or a semiconductor device of the type described above. The radiation detector is preferably suitable for the detection of radiation having wavelengths outside the spectral sensitivity range of the detection region and is particularly preferably formed. In this case, the radiation detector preferably has a conversion element, which incident radiation, not in the detection area absorbed and therefore would not produce an electron-hole pair, converted into radiation that can be absorbed in the detection area. As a result, the radiation detector can be adapted to specific wavelength ranges of the radiation to be detected without the detection range having to be changed. This has advantages in the production of the semiconductor components for a radiation detector, since they can be prefabricated similarly and can be adapted with different conversion elements to different wavelengths to be detected. By way of example, the radiation detector can be designed to detect x-ray radiation. For this purpose, a scintillator can be provided as a conversion element.
Ein Halbleiterbauelement, eine Halbleiteranordnung oder ein Strahlungsdetektor wie oben beschrieben eignet sich auch für die Analyse der Zusammensetzung eines Probenmaterials, zum Beispiel über Detektion von mittels des Probenmaterials generierter Strahlung, insbesondere von γ-Strahlung oder von Röntgenstrahlung .A semiconductor device, a semiconductor device or a radiation detector as described above is also suitable for the analysis of the composition of a sample material, for example via detection of radiation generated by the sample material, in particular γ-radiation or X-radiation.
In einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines Strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements, einer Halbleiteranordnung oder eines Strahlungsdetektors der oben beschriebenen Art wird zunächst eine Kontaktspannung zwischen den beiden Kontaktbereichen angelegt. Hierdurch kann sich ein sich durch den Detektionsbereich erstreckendes elektrisches Feld im Halbleiterbauelement und insbesondere im Halbleiterkörper ausbilden. Die Kontaktspannung und der Halbleiterkörper, insbesondere die Kontaktspannung und der Detektionsbereich, werden dabei derart aufeinander abgestimmt, dass im Detektionsbereich durch Absorption erzeugte Ladungsträger eines Ladungsträgertyps im Halbleiterkörper und insbesondere im Detektionsbereich durch Stoßionisation weitere Ladungsträger erzeugen können. Die mittels des Barrierebereichs gebildete Potentialbarriere und die Kontaktspannung werden weiterhin derart aufeinander abgestimmt, dass ein Signalstromfluss von dem einen Kontaktbereich zu dem anderen Kontaktbereich unterbunden ist.In one embodiment of a method for operating a radiation-receiving semiconductor component, a semiconductor device or a radiation detector of the type described above, first of all a contact voltage is applied between the two contact regions. As a result, an electric field extending through the detection region can form in the semiconductor component and in particular in the semiconductor body. The contact voltage and the semiconductor body, in particular the contact voltage and the detection range, are matched to one another in such a way that in the detection range by absorption generated charge carriers of a charge carrier type in the semiconductor body and in particular in the detection region can generate further charge carriers by impact ionization. The potential barrier formed by the barrier region and the contact voltage are further tuned to one another in such a way that a signal current flow from one contact region to the other contact region is prevented.
Als Signalstromfluss ist ein sich von einem Hintergrundrauschen, welches zum Beispiel durch einen Dunkelstrom verursacht ist, signifikant unterscheidendes Stromsignal zu verstehen.Signal current flow is understood to mean a current signal which is significantly different from background noise, which is caused, for example, by a dark current.
Nachfolgend wird Strahlung, insbesondere ein Einzelphoton oder ein Strahlungspuls, im Detektionsbereich absorbiert. Dabei wird zumindest ein Primärladungsträger eines Ladungsträgertyps, zum Beispiel ein Elektron oder ein Loch, im Detektionsbereich erzeugt. Mittels Stoßionisation durch den Primärladungsträger werden daraufhinSubsequently, radiation, in particular a single photon or a radiation pulse, is absorbed in the detection area. In this case, at least one primary charge carrier of a charge carrier type, for example an electron or a hole, is generated in the detection region. By impact ionization by the primary charge carrier are then
Sekundärladungsträger, insbesondere Elektron-Loch-Paare, im Detektionsbereich erzeugt. Für die Stoßionisation wird der Primärladungsträger zweckmäßigerweise im elektrischen Feld im Detektionsbereich derart beschleunigt, dass Stoßionisation auftritt. Sekundärladungsträger eines Ladungsträgertyps, zum Beispiel Löcher, driften zu dem Barrierebereich und sammeln sich dort, so dass die Potentialbarriere verringert wird. Auch durch Sekundärladungsträger können gegebenenfalls über Stoßionisation weitere Sekundärladungsträger erzeugt werden. Insgesamt kann sich so eine Vielzahl von Sekundärladungsträgern im Barrierebereich sammeln. Die Potentialbarriere kann durch die Sekundärladungsträger eines Ladungsträgertyps insbesondere derart verringert werden, dass ein Signalstrom von dem einen Kontaktbereich zu dem anderen Kontaktbereich fließt. Dabei fließt der Signalstrom zweckmäßigerweise durch den Barrierebereich und den Detektionsbereich .Secondary charge carriers, in particular electron-hole pairs, generated in the detection area. For impact ionization, the primary charge carrier is expediently accelerated in the electric field in the detection region in such a way that impact ionization occurs. Charge carrier-type secondary carriers, for example, holes, drift to and collect at the barrier region, thereby reducing the potential barrier. If necessary, additional secondary charge carriers can also be generated by secondary charge carriers via impact ionization. Overall, so can accumulate a variety of secondary carriers in the barrier area. The potential barrier can be reduced in particular by the secondary charge carriers of a charge carrier type such that a signal current flows from one contact region to the other Contact area flows. The signal flow expediently flows through the barrier area and the detection area.
Der fließende Signalstrom kann nachfolgend erfasst werden. Fließt ein Strom, so bedeutet dies, dass Strahlung auf den Detektionsbereich getroffen ist.The flowing signal current can subsequently be detected. If a current flows, this means that radiation has hit the detection area.
Die im Barrierebereich akkumulierten Ladungsträger tragen mit Vorzug nicht oder nicht wesentlich zum Signalstrom bei.The charge carriers accumulated in the barrier region preferably do not or not significantly contribute to the signal current.
Die Höhe der Potentialbarriere ist zweckmäßigerweise derart gewählt, dass diese durch Ladungsträgerakkumulation von durch Stoßionisation erzeugten Sekundärladungsträgem soweit verringerbar ist, dass ein Signalstrom durch die Kontaktbereiche fließen kann.The height of the potential barrier is expediently selected such that it can be reduced to such an extent by charge carrier accumulation of secondary charge carriers generated by impact ionization that a signal current can flow through the contact regions.
Vor der Strahlungsabsorption kann eine vorgegebene Steuerspannung beziehungsweise ein vorgegebenes Steuerpotential, welche (s) zur Ausbildung einer bis zum Signalstromfluss mittels der Sekundärladungsträger abbaubaren Potentialbarriere geeignet ist, ermittelt und an den Barrierebereich angelegt werden. Dies erfolgt zweckmäßigerweise über die Steuerelektrode. Über die Steuerelektrode kann die Höhe der Potentialbarriere variiert werden. Die Steuerelektrode kann damit zurBefore the radiation absorption, a predetermined control voltage or a predetermined control potential, which is suitable for forming a potential barrier which can be decomposed up to the signal current flow by means of the secondary charge carriers, can be determined and applied to the barrier region. This is expediently carried out via the control electrode. The height of the potential barrier can be varied via the control electrode. The control electrode can thus to
Arbeitspunkteinstellung des Halbleiterbauelements verwendet werden .Operating point setting of the semiconductor device can be used.
Nachdem der Signalstrom geflossen und insbesondere erfasst worden ist, können durch Anlegen einer geeignet gepolten Spannung, zum Beispiel einer geeignet gepolten Steuerspannung beziehungsweise einem geeigneten Steuerpotential, an den Barrierebereich die in den Barrierebereich gedrifteten Sekundärladungsträger aus dem Barrierebereich entfernt, insbesondere abgezogen ("abgesaugt"), werden. Dieses Abziehen führt dazu, dass sich die Barriere wieder aufbauen kann und der Signalstromfluss in der Folge unterbunden wird.After the signal current has flowed and in particular has been detected, by applying a suitably polarized voltage, for example a suitably polarized control voltage or a suitable control potential, to the Barrier area the secondary cargo carrier drifted into the barrier area removed from the barrier area, in particular deducted ("sucked"), be. This peeling causes the barrier to rebuild and the signal current flow to be inhibited.
Nach dem Entfernen der Sekundärladungsträger aus dem Barrierebereich ist der Strahlungsdetektor wieder im Ausgangszustand, so dass ein weiterer Detektionsvorgang begonnen werden kann. Dieser kann mit der Absorption von Strahlung im Detektionsbereich, wie weiter oben beschrieben, beginnen.After removal of the secondary charge carriers from the barrier region, the radiation detector is again in the initial state, so that a further detection process can be started. This can begin with the absorption of radiation in the detection area, as described above.
Der Vorgang des Absaugens der Sekundärladungsträger aus dem Barrierebereich ist mit Vorteil schneller durchführbar als der Abbau der sehr hohen Sperrspannung über der Lawinen- Photodiode durch das eingangs beschriebene Quenching.The process of sucking the secondary charge carriers out of the barrier region can advantageously be carried out more quickly than the removal of the very high blocking voltage across the avalanche photodiode by the quenching described above.
Weiterhin kann das Halbleiterbauelement verglichen mit einer Lawinen-Photodiode mit einer vorteilhaft geringen Spannung betrieben werden. Dies ergibt sich daraus, dass durch Stoßionisation erzeugte Ladungsträger im wesentlichen nur dem Abbau der Barriere dienen und nicht wie bei der Lawinen- Photodiode signifikant zum Signal beitragen müssen.Furthermore, compared to an avalanche photodiode, the semiconductor device can be operated with an advantageously low voltage. This results from the fact that charge carriers generated by impact ionization essentially serve only for the degradation of the barrier and do not have to contribute significantly to the signal as in the case of the avalanche photodiode.
Die Kontaktspannung kann 75 V oder weniger, bevorzugt 60 V oder weniger, besonders bevorzugt 50 V oder weniger, betragen. Die Kontaktspannung kann 20 V oder mehr, bevorzugt 30 V oder mehr, besonders bevorzugt 40 V oder mehr betragen. Aufgrund der vorteilhaft geringen Kontaktspannung können bei einer Halbleiteranordnung die einzelnen Halbleiterbauelemente dichter gepackt werden, ohne die Gefahr eines elektrischen (Spannungs) Durchschlags zwischen zwei benachbarten Halbleiterbauelementen zu erhöhen. Die Quanteneffizienz pro Fläche kann so mit Vorteil erhöht werden.The contact voltage may be 75 V or less, preferably 60 V or less, more preferably 50 V or less. The contact voltage may be 20 V or more, preferably 30 V or more, more preferably 40 V or more. Due to the advantageously low contact voltage, the semiconductor devices in a semiconductor device, the individual semiconductor devices are packed tightly, without the risk of electrical (voltage) breakdown between two adjacent Increase semiconductor devices. The quantum efficiency per area can be increased with advantage.
Die SteuerSpannung kann die Hälfte der Kontaktspannung oder weniger betragen.The control voltage may be half the contact voltage or less.
Der Signalstrom kann 0,1 mA oder mehr betragen.The signal current can be 0.1 mA or more.
Weitere Vorteile, Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.Further advantages, features and advantageous embodiments will become apparent from the following description of the embodiments in conjunction with the figures.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einesFIG. 1 shows an embodiment of a
Strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements anhand einer schematischen Schnittansicht.Radiation-receiving semiconductor device based on a schematic sectional view.
Figur 2 zeigt anhand der Figuren 2A, 2B und 2C schematische Energiebanddiagramme für verschiedene Betriebszustände des Halbleiterbauelements gemäß Figur 1.FIG. 2 shows, with reference to FIGS. 2A, 2B and 2C, schematic energy band diagrams for different operating states of the semiconductor component according to FIG. 1.
Figur 3 zeigt eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiteranordnung mit einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen .Figure 3 shows a plan view of an embodiment of a semiconductor device having a plurality of semiconductor devices.
Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht einesFIG. 4 shows a schematic sectional view of a
Ausführungsbeispiels eines Strahlungsdetektors.Embodiment of a radiation detector.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einesFIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a
Strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements anhand einer schematischen Schnittansicht. Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die in den Figuren dargestellten Einzelelemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr können einzelne Elemente in den Figuren zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.Radiation-receiving semiconductor device based on a schematic sectional view. The same, similar and equally acting elements are provided in the figures with the same reference numerals. The individual elements shown in the figures are not necessarily drawn to scale. Rather, individual elements in the figures may be exaggerated in size for clarity.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einesFIG. 1 shows an embodiment of a
Strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements 1 anhand einer schematischen Schnittansicht.Radiation-receiving semiconductor device 1 based on a schematic sectional view.
Das Strahlungsempfangende Halbleiterbauelement 1 weist einen Halbleiterkörper 2 auf. Das Halbleiterbauelement weist weiterhin eine Strahlungseintrittseite 3 auf.The radiation-receiving semiconductor component 1 has a semiconductor body 2. The semiconductor component further has a radiation entrance side 3.
Der Halbleiterkörper 2 weist zwei elektrische Kontaktbereiche 4 , 5 auf . Zwischen den Kontaktbereichen 4 und 5 , insbesondere von dem Kontaktbereich 5 bis zu und in den Kontaktbereich 6, erstreckt sich ein elektrischer Strompfad 6 im Halbleiterkörper 2. In dem Strompfad 6 zwischen den Kontaktbereichen 4 und 5 und insbesondere auch räumlich zwischen den Kontaktbereichen ist ein Detektionsbereich 7 des Halbleiterbauelements 1 im Halbleiterkörper 2 angeordnet. Der Halbleiterkörper 2 weist ferner einen Barrierebereich 8 auf. Der Barrierebereich 8 ist im Strompfad 6 zwischen dem Detektionsbereich 7 und dem Kontaktbereich 5 und insbesondere auch räumlich zwischen dem Detektionsbereich 7 und dem Kontaktbereich 5 angeordnet . Der Barrierebereich 8 ist vorzugsweise auf der von der Strahlungseintrittsseite 3 abgewandten Seite des Detektionsbereichs 7 angeordnet .The semiconductor body 2 has two electrical contact areas 4, 5. Between the contact regions 4 and 5, in particular from the contact region 5 up to and into the contact region 6, an electrical current path 6 extends in the semiconductor body 2. In the current path 6 between the contact regions 4 and 5 and in particular also spatially between the contact regions is a detection region 7 of the semiconductor device 1 in the semiconductor body 2 is arranged. The semiconductor body 2 also has a barrier region 8. The barrier region 8 is arranged in the current path 6 between the detection region 7 and the contact region 5 and in particular also spatially between the detection region 7 and the contact region 5. The barrier area 8 is preferably arranged on the side of the detection area 7 facing away from the radiation entrance side 3.
Weiterhin weist der Halbleiterkörper 2 einen Sperrbereich 9 auf. Der Sperrbereich 9 ist im Strompfad 6 zwischen dem Barrierebereich 8 und dem Kontaktbereich 5 und insbesondere auch räumlich zwischen dem Barrierebereich 8 und dem Kontaktbereich 5 angeordnet .Furthermore, the semiconductor body 2 has a blocking region 9. The blocking region 9 is in the current path 6 between the Barrier area 8 and the contact area 5 and in particular also arranged spatially between the barrier area 8 and the contact area 5.
Der Halbleiterkörper 2 kann einen Schichtstapel aufweisen, wobei jeweils Schichten für den Kontaktbereich 5, den Sperrbereich 9, den Barrierebereich 8, den Detektionsbereich 7 und/oder den Kontaktbereich 4 vorgesehen sind. Es kann also eine Kontaktschicht 4, eine Detektionsschicht 7, eine Barriereschicht 8, eine Sperrschicht 9 und/oder eine Kontaktschicht 5 vorgesehen sein. Die jeweiligen Schichten können als gesonderte Schichten ausgeführt sein. Insbesondere können die jeweiligen Schichten epitaktisch gewachsen sein, zum Beispiel mittels MBE (MBE: Molekularstrahlepitaxie) oder mittels eines CVD-Epitaxieprozesses (chemische Gasphasenepitaxie) . Der Kontaktbereich 5 kann dabei durch das Aufwachssubstrat, auf dem die Schichten epitaktisch abgeschieden werden, gebildet sein. Es muss also nicht notwendigerweise eine gesondert gewachsene Kontaktschicht 5 vorgesehen sein, vielmehr kann dazu das AufwachsSubstrat eingesetzt werden, wie dies in Figur 1 dargestellt ist.The semiconductor body 2 may comprise a layer stack, wherein in each case layers for the contact area 5, the blocking area 9, the barrier area 8, the detection area 7 and / or the contact area 4 are provided. Thus, a contact layer 4, a detection layer 7, a barrier layer 8, a barrier layer 9 and / or a contact layer 5 can be provided. The respective layers may be embodied as separate layers. In particular, the respective layers may be grown epitaxially, for example by MBE (MBE: molecular beam epitaxy) or by means of a CVD epitaxy process (chemical vapor epitaxy). The contact region 5 can be formed by the growth substrate on which the layers are epitaxially deposited. Thus, it is not necessary to provide a separately grown contact layer 5, but instead the growth substrate can be used, as shown in FIG.
Das in Figur 1 dargestellte Bauelement ist als vertikales Bauelement ausgeführt. Bei einem vertikalen Bauelement können Schichten für die einzelnen Bereiche übereinander aufgeschichtet sein. Ein Stromfluss kann in vertikalen Bauelementen senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu einer lateralen Haupterstreckungsrichtung des Schichtstapels des Halbleiterkörpers 2 erfolgen, welche entlang einer Hauptfläche des Substrats ausgerichtet sein kann.The component shown in Figure 1 is designed as a vertical component. In a vertical component layers for the individual areas can be stacked one above the other. A current flow can take place in vertical components perpendicular or substantially perpendicular to a lateral main extension direction of the layer stack of the semiconductor body 2, which can be aligned along a main surface of the substrate.
Nach dem epitaktischen Aufwachsen der einzelnen Schichten für den Halbleiterkörper kann eine Mesa aus den Epitaxieschichten ausgebildet werden. Dazu eignet sich beispielsweise reaktives Ionenätzen unter Einsatz einer geeigneten Maske, zum Beispiel einer (Metall- oder Nitrid-) Hartmaske. Die Mesa kann sich von der Strahlungseintrittsseite 3 des Halbleiterbauelements 1, welche bevorzugt die vom Substrat abgewandte Seite des Halbleiterschichtstapels ist, bis zu oder auch noch in den Kontaktbereich 5, also eventuell bis in das Substrat, erstrecken.After the epitaxial growth of the individual layers for the semiconductor body, a mesa can emerge from the epitaxial layers be formed. For example, reactive ion etching using a suitable mask, for example a (metal or nitride) hard mask, is suitable for this purpose. The mesa can extend from the radiation entrance side 3 of the semiconductor component 1, which is preferably the side of the semiconductor layer stack facing away from the substrate, as far as or even into the contact region 5, that is to say possibly into the substrate.
Der Kontaktbereich 5, der Sperrbereich 9, der Barrierebereich 8, der Detektionsbereich 7 und/oder der Kontaktbereich 4 kann Silizium enthalten oder aus Silizium bestehen, wobei einzelne Bereiche gegebenenfalls dotiert ausgeführt sein können.The contact region 5, the blocking region 9, the barrier region 8, the detection region 7 and / or the contact region 4 may contain silicon or consist of silicon, wherein individual regions may optionally be doped.
Das Strahlungsempfangende Halbleiterbauelement 1 weist zwei elektrische Anschlüsse 10, 11 auf. Dabei ist zweckmäßigerweise der Anschluss 10 auf dem Kontaktbereich 4 und der Anschluss 11 auf dem Kontaktbereich 5 angeordnet . Der jeweilige Anschluss 10, 11 ist mit dem diesem zugeordneten Kontaktbereich 4 beziehungsweise 5 zweckmäßigerweise elektrisch leitend verbunden. Über die Anschlüsse 10 und 11 kann ein Signalstrom, welcher durch die Kontaktbereichen 4, 5 und den Halbleiterkörper 2 fließt, vereinfacht erfasst werden. Die Anschlüsse können beispielsweise jeweils als Anschlussmetallisierung oder Anschlusslegierung ausgeführt sein. Ein Metall oder ein metallartiges Material ist für den Anschluss 10 oder 11 besonders geeignet.The radiation-receiving semiconductor component 1 has two electrical connections 10, 11. The connection 10 is expediently arranged on the contact region 4 and the connection 11 on the contact region 5. The respective terminal 10, 11 is suitably connected in an electrically conductive manner to the contact region 4 or 5 assigned to it. Via the terminals 10 and 11, a signal current which flows through the contact regions 4, 5 and the semiconductor body 2, can be detected in a simplified manner. The connections can be designed, for example, in each case as a connection metallization or connection alloy. A metal or metal-like material is particularly suitable for port 10 or 11.
Weiterhin weist das Halbleiterbauelement 1 eine Steuerelektrode 12 auf. Die Steuerelektrode 12 kann sich entlang einer Seitenfläche des Halbleiterkörpers 2, welche diesen lateral begrenzt und sich vorzugsweise von der Strahlungseintrittsseite 3 in Richtung des Kontaktbereichs 5 erstreckt, erstrecken. Die Steuerelektrode 12 kann sich insbesondere über den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8 und/oder den Sperrbereich 9 erstrecken. Die Steυerelektrode 12 kann Silizium, zum Beispiel hochdotiertes Poly-Silizium, oder ein anderes elektrisch leitfähiges Material, zum Beispiel ein Metall oder eine Metalllegierung, enthalten. Die Steuerelektrode 12 ist bevorzugt mit einem Steueranschluss 13, zum Beispiel einer Metallisierung oder Metalllegierung, elektrisch leitend verbunden. Die Steuerelektrode kann den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8 und/oder den Sperrbereich 9 umlaufen. Über die Steuerelektrode 12 und insbesondere den Steueranschluss 13 kann eine Steuerspannung beziehungsweise ein elektrisches Steuerfeld an den Halbleiterkörper 2 und insbesondere an den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8 und/oder den Sperrbereich 9 angelegt werden.Furthermore, the semiconductor component 1 has a control electrode 12. The control electrode 12 may extend along a side surface of the semiconductor body 2 which delimits it laterally and preferably from the radiation entrance side 3 in the direction of the contact region 5 extends, extend. The control electrode 12 may extend in particular over the detection area 7, the barrier area 8 and / or the blocking area 9. The Steυerelektrode 12 may contain silicon, for example highly doped poly-silicon, or other electrically conductive material, for example a metal or a metal alloy. The control electrode 12 is preferably electrically conductively connected to a control terminal 13, for example a metallization or metal alloy. The control electrode can circulate the detection area 7, the barrier area 8 and / or the blocking area 9. A control voltage or an electrical control field can be applied to the semiconductor body 2 and in particular to the detection area 7, the barrier area 8 and / or the blocking area 9 via the control electrode 12 and in particular the control terminal 13.
Zwischen der Steuerelektrode 12 und dem Halbleiterkörper 2 ist eine Dielektrikumsschicht 14 angeordnet, über die Dielektrikumsschicht 14 ist die Steuerelektrode 12 elektrisch von dem Halbleiterkörper 2 isoliert. Die Dielektrikumsschicht kann beispielsweise durch thermisches Anwachsen oder durch Abscheiden auf den Halbleiterkörper realisiert sein. Für die Dielektrikumsschicht eignet sich beispielsweise ein Siliziumoxyd, ein Siliziumnitrid oder ein anderes elektrisch isolierendes Material. Eine Dicke der Dielektrikumsschicht 14 ist zweckmäßigerweise derart bemessen, dass beim Anlegen einer vorgegebenen Kontaktspannung zwischen den Kontaktbereichen 4 und 5 und beim gleichzeitigen Anlegen einer für den Betrieb des Bauelements geeigneten Steuerspannung beziehungsweise eines geeigneten Steuerpotentials mittels der Steuerelektrode ein elektrischer Durchschlag von einem der Kontaktbereiche 4, 5 oder einem der Anschlüsse 10, 11 zu der Steuerelektrode 12 vermieden wird. Beispielsweise weist die Dielektrikumsschicht eine Dicke von 10 nm oder mehr, bevorzugt von 20 nm oder mehr, besonders bevorzugt von 50 nm oder mehr, zum Beispiel von 70 nm oder mehr oder von 100 nm oder mehr auf.Between the control electrode 12 and the semiconductor body 2, a dielectric layer 14 is arranged, via the dielectric layer 14, the control electrode 12 is electrically isolated from the semiconductor body 2. The dielectric layer can be realized for example by thermal growth or by deposition on the semiconductor body. For example, a silicon oxide, a silicon nitride or another electrically insulating material is suitable for the dielectric layer. A thickness of the dielectric layer 14 is expediently dimensioned such that upon application of a predetermined contact voltage between the contact regions 4 and 5 and the simultaneous application of a control voltage suitable for the operation of the component or a suitable control potential by means of the control electrode, an electrical breakdown of one of the contact regions 4, 5 or one of Connections 10, 11 is avoided to the control electrode 12. For example, the dielectric layer has a thickness of 10 nm or more, preferably 20 nm or more, more preferably 50 nm or more, for example, 70 nm or more, or 100 nm or more.
Die Dielektrikumsschicht 14 kann den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8 und/oder den Sperrbereich 9 außenseitig lateral umlaufend verkleiden.The dielectric layer 14 can cover the detection area 7, the barrier area 8 and / or the blocking area 9 laterally circumferentially on the outside.
Der Detektionsbereich 7 ist für die Absorption von zu detektierender Strahlung vorgesehen, welche über die Strahlungseintrittsseite in den Halbleiterkörper 2 einfällt. Um eine unerwünschte Strahlungsabsorption in in dem Detektionsbereich 7 strahlungseintrittsseitig vorgeordneten Elementen zu vermeiden, kann im Halbleiterkörper 2 ein bis zum Detektionsbereich 7 reichendes Fenster 15 ausgebildet sein. Der strahlungseintrittsseitig angeordnete Kontaktbereich 4 kann für das Fenster 15 ausgespart sein. Insbesondere kann auch der Anschluss 10 ausgespart sein.The detection area 7 is provided for the absorption of radiation to be detected, which incident on the radiation entrance side into the semiconductor body 2. In order to avoid unwanted radiation absorption in the detection region 7 upstream of the radiation inlet elements, a window 15 extending to the detection region 7 may be formed in the semiconductor body 2. The radiation inlet side arranged contact region 4 may be recessed for the window 15. In particular, the terminal 10 can be recessed.
Strahlung kann so ungehindert vom Material des Halbleiterkörpers 2 beziehungsweise des Anschlusses 10, in dem ein maßgeblicher Anteil an Strahlung absorbiert werden kann, wobei die absorbierte Strahlung dementsprechend nicht mehr zum Detektionsbereich 7 gelangt, in den Detektionsbereich eintreten. Die Gefahr von Absorptionsverlusten wird so verringert. Besonders hohe Absorptionsverluste ergeben sich häufig in dotiertem Halbleitermaterial oder in Metallen.Radiation can thus enter the detection area unhindered by the material of the semiconductor body 2 or of the connection 10, in which a significant proportion of radiation can be absorbed, the absorbed radiation correspondingly no longer reaching the detection area 7. The risk of absorption losses is thus reduced. Particularly high absorption losses often result in doped semiconductor material or in metals.
Um den Strählungseintritt in den Detektionsbereich 7 zu erleichtern, kann auf dem Detektionsbereich 7 strahlungseintrittsseitig eine Antireflexbeschichtung 16, zum Beispiel eine geeignete Siliziumoxyd- oder Siliziumnitridbeschichtung, angeordnet sein. Reflexionsverluste an einer Strahlungseintrittsfläche 17 in den Detektionsbereich können so zumindest verringert werden. Die Antireflexbeschichtung 16 ist bevorzugt innerhalb des Fensters 15 angeordnet .In order to facilitate the entry of the crystals into the detection area 7, the detection area 7 can be used On the radiation entrance side, an antireflection coating 16, for example a suitable silicon oxide or silicon nitride coating, may be arranged. Reflection losses at a radiation entrance surface 17 in the detection area can thus be at least reduced. The anti-reflection coating 16 is preferably disposed within the window 15.
Das Strahlungsempfangende Halbleiterbauelement 1 ist bevorzugt zur Detektion von Einzelphotonen oder Strahlungspulsen, insbesondere ultrakurzen Strahlungspulsen, zum Beispiel mit einer Pulsdauer von 500 ns oder weniger, von 900 ps oder weniger oder von 100 fs oder weniger, geeignet und insbesondere ausgebildet. Bei geringen Photonenzahlen fällt eine Absorption außerhalb des Detektionsbereichs oder eine Reflexion am Detektionsbereich, welche jeweils nicht zu einem Strahlungseintritt in den Detektionsbereich führen, natürlich besonders ins Gewicht.The radiation-receiving semiconductor component 1 is preferably suitable for detecting single-photon or radiation pulses, in particular ultrashort radiation pulses, for example with a pulse duration of 500 ns or less, of 900 ps or less or of 100 fs or less, and in particular. At low numbers of photons, an absorption outside the detection range or a reflection at the detection range, which in each case does not lead to a radiation entry into the detection range, of course, particularly significant.
Der Detektionsbereich 7 ist derart ausgebildet, dass Sekundärladungsträger über Stoßionisation von Primärladungsträgern erzeugbar sind. Ein Primärladungsträger kann beispielsweise ein durch Absorption von Strahlung im Detektionsbereich erzeugtes Elektron oder Loch sein. Der Detektionsbereich weist entlang des Strompfads 6 bevorzugt eine Ausdehnung, zum Beispiel eine Dicke, auf, die groß genug ist, um mit dem Primärladungsträger eine oder eine Mehrzahl von Stoßionisationen erzielen zu können. Die zur Beschleunigung der Ladungsträger für die Erzeugung von Sekundärladungsträgern durch Stoßionisation zur Verfügung stehende Weglänge ist dann mit Vorteil ausreichend groß. Allerdings kann es auch vorteilhaft sein, den Detektionsbereich nicht mit einer zu großen Ausdehnung, zum Beispiel der Dicke, auszubilden, um eine Rekombination von durch Stoßionisation erzeugten Sekundärladungsträgern im Detektionsbereich zu vermeiden.The detection area 7 is designed such that secondary charge carriers can be generated via impact ionization of primary charge carriers. A primary charge carrier may be, for example, an electron or hole produced by absorption of radiation in the detection region. The detection region preferably has an extension, for example a thickness, along the current path 6, which is large enough to be able to achieve one or a plurality of impact ionizations with the primary charge carrier. The path length available for accelerating the charge carriers for the generation of secondary charge carriers by impact ionization is then advantageously sufficiently large. However, it may also be advantageous not to detect the detection area with too great an extent, for Example, the thickness, form, to avoid recombination of impact ionization generated secondary carriers in the detection area.
Eine Ausdehnung des Detektionsbereichs 7 entlang des Strompfads, zum Beispiel die Dicke, von zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 1000 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 200 nm und einschließlich 900 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 800 nm, beispielsweise zwischen 350 nm und 500 nm, wie etwa 400 nm, hat sich als besonders geeignet erwiesen. Derartige Ausdehnungen stellen sowohl eine ausreichend lange Strecke zur Erzeugung vonAn extension of the detection region 7 along the current path, for example the thickness, of between 100 nm and 1000 nm inclusive, preferably between 200 nm and 900 nm inclusive, more preferably between 300 nm and 800 nm inclusive, for example between 350 nm and 500 nm, such as 400 nm, has been found to be particularly suitable. Such extensions both provide a sufficiently long distance to generate
Sekundärladungsträgern zur Verfügung und Erhöhen gleichzeitig das Risiko von Rekombinationen nicht unnötig.Secondary carriers available and at the same time increase the risk of recombination unnecessary.
Der Barrierebereich 8 ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass im Betrieb des Bauelements ein Ladungsträgerfluss von im Detektionsbereich 7 durch Absorption und/oder Stoßionisation erzeugten Ladungsträgern durch den Barrierebereich hindurch und zum Kontaktbereich 5 , vorzugsweise nur temporär, verhindert werden kann. Mittels des Barrierebereichs 8 kann insbesondere eine Potentialbarriere zwischen dem Detektionsbereich 7 und dem Kontaktbereich 5 ausgebildet sein. Die Höhe der Potentialbarriere kann über die an die Steuerelektrode 12 angelegte Steuerspannung beziehungsweise das angelegte Steuerpotential eingestellt werden.The barrier region 8 is expediently designed such that, during operation of the component, a charge carrier flow of charge carriers generated in the detection region 7 by absorption and / or impact ionization through the barrier region and to the contact region 5, preferably only temporarily, can be prevented. In particular, a potential barrier can be formed between the detection region 7 and the contact region 5 by means of the barrier region 8. The height of the potential barrier can be set via the control voltage or the applied control potential applied to the control electrode 12.
Über den Sperrbereich 9 kann ein Ladungsträgertunneln von dem Barrierebereich 8 in den Kontaktbereich 5 verhindert werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Tunnelstrom nicht oder nur stark erschwert zum Dunkelstrom des Bauelements beitragen kann. Der Sperrbereich kann eine Ausdehnung entlang des Strompfades aufweisen, die geringer ist als die des Detektionsbereichs . Die Ausdehnung des Sperrbereichs 9, zum Beispiel die Dicke, kann 20 nm oder mehr und/oder 50 nm oder weniger betragen.Charge carrier tunneling from the barrier region 8 into the contact region 5 can be prevented via the blocking region 9. This has the advantage that a tunnel current does not contribute to the dark current of the component, or only with great difficulty can. The stopband may have an extension along the current path that is less than that of the detection region. The extension of the stop band 9, for example, the thickness, may be 20 nm or more and / or 50 nm or less.
Der Detektionsbereich 7 kann eine Ausdehnung entlang des Strompfades 6 aufweisen, die das Achtfache oder mehr der Ausdehnung des Sperrbereichs entlang des Strompfades 6 beträgt .The detection area 7 may have an extent along the current path 6 which is eight times or more the extent of the blocking area along the current path 6.
Der Barrierebereich 8 kann entlang des Strompfades eine Ausdehnung, zum Beispiel eine Dicke, von 20 nm oder weniger, bevorzugt von 15 nm oder weniger, besonders bevorzugt von 12 nm oder weniger aufweisen. Die Ausdehnung beträgt bevorzugt 3 nm oder mehr, besonders bevorzugt 5 nm oder mehr, zum Beispiel 10 nm oder mehr. Eine Ausdehnung des Barrierebereichs von zwischen jeweils einschließlich 10 nm und 20 nm hat sich für den Barrierebereich als besonders geeignet herausgestellt.The barrier region 8 may have an extension, for example a thickness, of 20 nm or less, preferably of 15 nm or less, particularly preferably of 12 nm or less, along the current path. The extent is preferably 3 nm or more, more preferably 5 nm or more, for example, 10 nm or more. An extension of the barrier area of between each including 10 nm and 20 nm has been found to be particularly suitable for the barrier area.
Die Kontaktbereiche 4, 5 und der Barrierebereich 8 sind zweckmäßigerweise dotiert ausgeführt, insbesondere n- leitend oder p-leitend dotiert. Die Kontaktbereiche und der Barrierebereich können dabei für den gleichen Leitungstypen (p-leitend beziehungsweise n-leitend) dotiert sein. Die Kontaktbereiche können alternativ für verschiedene Leitungstypen dotiert sein. Der Barrierebereich 8 kann für einen anderen Leitungstypen dotiert sein als einer der Kontaktbereiche 4, 5 oder beide Kontaktbereiche.The contact regions 4, 5 and the barrier region 8 are expediently doped, in particular n-type or p-type doped. The contact regions and the barrier region can be doped for the same conductivity type (p-type or n-type). The contact areas may alternatively be doped for different types of lines. The barrier region 8 may be doped for a different conductivity type than one of the contact regions 4, 5 or both contact regions.
Der Detektionsbereich 7 und/oder der Sperrbereich 9 ist bevorzugt intrinsisch, also undotiert, ausgeführt. Die Struktur des Strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements 1 kann also derjenigen eines modifizierten MOSFETs entsprechen, wobei der Kontaktbereich 5 als Source, der Kontaktbereich 4 als Drain und die Steuerelektrode 12 als Gateelektrode dient. Zwischen dem Barrierebereich 8 und der Drain ist der Detektionsbereich 7 angeordnet. Zwischen der Source und dem Barrierebereich 8 ist der Sperrbereich 9 angeordnet .The detection area 7 and / or the blocking area 9 is preferably intrinsic, that is to say undoped. The structure of the radiation-receiving semiconductor component 1 can thus correspond to that of a modified MOSFET, the contact region 5 serving as the source, the contact region 4 as the drain, and the control electrode 12 as the gate electrode. Between the barrier area 8 and the drain, the detection area 7 is arranged. Between the source and the barrier region 8, the blocking region 9 is arranged.
Aufgrund einer an die Steuerelektrode 12 angelegten SteuerSpannung beziehungsweise eines angelegten Steuerpotentials kann sich ein elektrisch leitender Kanal, zum Beispiel ein n-Kanal oder ein p-Kanal, entlang des Strompfades 6 in Bereichen des Halbleiterkörpers 7 , über die sich die Steuerelektrode 12 erstreckt, zum Beispiel in dem Detektionsbereich 7 und/oder dem Sperrbereich 9, ausbilden.Due to a control voltage applied to the control electrode 12 or an applied control potential, an electrically conductive channel, for example an n-channel or a p-channel, along the current path 6 in regions of the semiconductor body 7, over which the control electrode 12 extends to the Example in the detection area 7 and / or the blocking area 9, form.
Das Halbleiterbauelement 1 ist weiterhin bevorzugt derart ausgebildet, dass sich im Betrieb im Energiebanddiagramm entlang des Strompfades 6 zwischen den Kontaktbereichen 4 und 5 eine Potentialbarriere ausbildet. Die Potentialbarriere hat vorzugsweise eine dreieckige Form. Eine dreieckige Formgebung der Potentialbarriere hat sich als für eine Erzeugung von Ladungsträgern durch Stoßionisation im Detektionsbereich 7 besonders geeignet herausgestellt. Die Potentialbarriere wird zweckmäßigerweise mittels des Barrierebereichs 8 gebildet.The semiconductor component 1 is furthermore preferably designed in such a way that, during operation in the energy band diagram, a potential barrier is formed along the current path 6 between the contact regions 4 and 5. The potential barrier preferably has a triangular shape. A triangular shaping of the potential barrier has proven to be particularly suitable for the generation of charge carriers by impact ionization in the detection region 7. The potential barrier is expediently formed by means of the barrier region 8.
Figur 2 zeigt anhand der Figuren 2A, 2B und 2C schematische Energiebanddiagratnme für verschiedene Betriebszustände des Halbleiterbauelements 1 gemäß Figur 1. Figur 2A zeigt den Energiebandverlauf entlang des Strompfades 6 von dem Kontaktbereich. 4 über den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8, den Sperrbereich 9 zu dem Kontaktbereich 5. Zwischen den Kontaktbereichen 4, 5 ist keine Potentialdifferenz (Kontaktspannung) angelegt. Weiterhin ist auch keine Steuerpotentialdifferenz (Steuerspannung) mittels der Steuerelektrode 12 an den Halbleiterkörper angelegt. Dargestellt sind das Valenzband V, das Leitungsband L sowie das Ferminiveau F.FIG. 2 shows schematic energy band diagrams for different operating states of the semiconductor component 1 according to FIG. FIG. 2A shows the energy band profile along the current path 6 from the contact region. 4 via the detection area 7, the barrier area 8, the blocking area 9 to the contact area 5. Between the contact areas 4, 5 no potential difference (contact voltage) is applied. Furthermore, no control potential difference (control voltage) is applied by means of the control electrode 12 to the semiconductor body. Shown are the valence band V, the conduction band L and the Fermi level F.
Die Kontaktbereiche 4, 5 sind zum Beispiel n-leitend dotiert. Der Detektionsbereich 7 und der Sperrbereich 9 sind zum Beispiel intrinsisch (i) ausgeführt. Der Barrierebereich 8 ist beispielsweise p-dotiert. Der Barrierebereich 8 ist vorzugsweise hochdotiert (p++) , zum Beispiel mit einer Dotierstoffkonzentration von 1 x 1019 l/cm3 oder mehr, bevorzugt von 1 x 1020 l/cm3 oder mehr, besonders bevorzugt von 5 x 1020 l/cm3 oder mehr ausgebildet. Die Kontaktbereiche 4, 5 können mit einer Dotierstoffkonzentration von 1 x 1020 l/cm3 oder weniger ausgebildet sein. Die einzelnen Bereiche können auf Silizium basieren. Für eine n-Dotierung eignet sich zum Beispiel Phosphor als Dotierstoff und für eine p- Dotierung eignet sich beispielsweise Bor als Dotierstoff.The contact regions 4, 5 are doped n-type, for example. The detection area 7 and the stopper area 9 are implemented intrinsically (i), for example. The barrier region 8 is p-doped, for example. The barrier region 8 is preferably highly doped (p ++ ), for example with a dopant concentration of 1 × 10 19 l / cm 3 or more, preferably of 1 × 10 20 l / cm 3 or more, particularly preferably of 5 × 10 20 l / cm 3 or more formed. The contact regions 4, 5 may be formed with a dopant concentration of 1 × 10 20 l / cm 3 or less. The individual areas can be based on silicon. For example, phosphorus is suitable as a dopant for n-type doping, and boron is suitable as a dopant for p-type doping.
Weiterhin weist der Dotierprofilverlauf entlang des Strompfades beim Übergang von dem Detektionsbereich 7 zu dem Barrierebereich 8 vorzugsweise einen steilen Anstieg in der Dotierstoffkonzentration auf. Beim Übergang von dem Barrierebereich 8 zu dem Sperrbereich 9 kann ein steiler Abfall in der Dotierstoffkonzentration vorliegen.Furthermore, the doping profile course along the current path during the transition from the detection area 7 to the barrier area 8 preferably has a steep rise in the dopant concentration. In the transition from the barrier region 8 to the stop region 9, there may be a steep drop in the dopant concentration.
Das Dotierstoffprofil des Barrierebereichs gegenüber den angrenzenden Bereichen - zum Beispiel dem (intrinsischen) Detektionsbereich 8 und insbesondere dem (intrinsischen) Sperrbereich 9 - kann an eine Dirac'sche δ-Funktion angenähert sein. Daher kann eine solche hochdotierte und vorzugsweise dünne Barriereschicht Schicht auch als δ-Schicht bezeichnet werden.The dopant profile of the barrier area with respect to the adjacent areas - for example, the (intrinsic) Detection area 8 and in particular the (intrinsic) stopband 9 - may be approximated to a Dirac δ function. Therefore, such a highly doped and preferably thin barrier layer layer can also be referred to as δ-layer.
Die Dotierstoffkonzentration des Dotierstoffs des Barrierebereichs 8 kann sich beim Übergang von außerhalb des Barrierebereichs in den Barrierebereich oder innerhalb des Barrierebereichs auf einer Strecke von 10 nm oder weniger entlang des Strompfads um das Fünffache oder mehr, bevorzugt um das Siebenfache oder mehr, besonders bevorzugt das Neunfache oder mehr, erhöhen. Ein mit einem derartig scharfen Übergang im Dotierstoffprofil dotierter Barrierebereich ist für das Ausbilden eines elektrischen Feldes durch das Potentialgefälle im Detektionsbereich, wobei das elektrische Feld für die Erzeugung von Sekundärladungsträgern durch Stoßionisation im Betrieb des Halbleiterbauelements geeignet ist, besonders vorteilhaft.The dopant concentration of the dopant of the barrier region 8 may be fivefold or greater, preferably sevenfold or greater, more preferably ninefold, in the transition from outside the barrier region to the barrier region or within the barrier region over a distance of 10 nm or less or more, increase. A barrier region doped with such a sharp transition in the dopant profile is particularly advantageous for the formation of an electric field by the potential gradient in the detection region, the electric field being suitable for generating secondary charge carriers by impact ionization during operation of the semiconductor component.
Zwischen den Kontaktbereichen 4, 5 ist eine dreiecksartige geformte Potentialbarriere P ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind der Detektionsbereich 7 und der Barrierebereich 8 sowie gegebenenfalls der Sperrbereich 9 derart aufeinander abgestimmt, dass sich die dreiecksartig geformte Potentialbarriere im Energiebanddiagramm ergibt . Der Barrierebereich 8 ist dabei im Bereich der Spitze des Dreiecks angeordnet, wobei die Dreiecksspitze wie dargestellt abgeflacht ausgeführt sein kann. Die Länge des abgeflachten Stücks kann der Dicke des Barrierebereichs entsprechen oder kleiner als die Dicke des Barrierebereichs sein. Figur 2B zeigt das Energiebanddiagramm aus Figur 2A mit einer an den Kontaktbereichen 4, 5 angelegten Kontaktspannung Vκ. Die Spannung wird derart angelegt, dass das elektrische Potential am Kontaktbereich 4 größer als das elektrische Potential am Kontaktbereich 5 ist (positive Kontaktspannung) . Dies führt dazu, dass die Energiebänder L, V sich seitens des Kontaktbereichs 4 nach unten verschieben. Die Verschiebung kann proportional zu Vκ sein.Between the contact regions 4, 5, a triangular shaped potential barrier P is formed. Expediently, the detection area 7 and the barrier area 8 and, if appropriate, the blocking area 9 are matched to one another such that the triangular-shaped potential barrier results in the energy band diagram. The barrier region 8 is arranged in the region of the apex of the triangle, wherein the triangular tip can be made flattened as shown. The length of the flattened piece may be the thickness of the barrier area or less than the thickness of the barrier area. FIG. 2B shows the energy band diagram from FIG. 2A with a contact voltage V K applied to the contact regions 4, 5. The voltage is applied so that the electric potential at the contact region 4 is greater than the electric potential at the contact region 5 (positive contact voltage). This causes the energy bands L, V to move downwardly from the contact area 4. The shift may be proportional to V κ .
Die Kontaktspannung kann 75 V oder weniger, bevorzugt 60 V oder weniger, besonders bevorzugt 50 V oder weniger betragen. Die Kontaktspannung kann insbesondere zwischen jeweils einschließlich 20 V und 75 V, bevorzugt zwischen jeweils einschließlich 30 V und 60 V, besonders bevorzugt zwischen jeweils einschließlich 40 V und 50 V, liegen. Dabei kann der überwiegende Teil der Kontaktspannung über dem Detektionsbereich 7 abfallen. Es bildet sich insbesondere ein steiles Potentialgefälle vom Barrierebereich 8 über den Detektionsbereich 7 zu dem Kontaktbereich 4. Das Potentialgefälle kann 104 V/cm größer, bevorzugt 5 x 104 V/cm oder größer sein. Ein derart großes Potentialgefälle ist für die Stoßionisation besonders geeignet .The contact voltage may be 75 V or less, preferably 60 V or less, more preferably 50 V or less. The contact voltage may in particular be between in each case including 20 V and 75 V, preferably between in each case including 30 V and 60 V, particularly preferably between in each case including 40 V and 50 V. In this case, the majority of the contact voltage can drop over the detection area 7. In particular, a steep potential gradient forms from the barrier region 8 via the detection region 7 to the contact region 4. The potential gradient can be 10 4 V / cm greater, preferably 5 × 10 4 V / cm or greater. Such a large potential gradient is particularly suitable for impact ionization.
Zwischen den Kontaktbereichen 4, 5 ist die Potentialbarriere P ausgebildet. Es fließt also kein Signalstrom vom Kontaktbereich 5 zum Kontaktbereich 4. DasBetween the contact regions 4, 5, the potential barrier P is formed. Thus, no signal current flows from the contact region 5 to the contact region 4
Halbleiterbauelement 1 ist also derart vorgespannt, dass kein Signalstrom von dem Kotaktbereich 5 zu dem Kontaktbereich 4 fließt.Semiconductor component 1 is thus biased such that no signal current flows from the contact region 5 to the contact region 4.
Wird nun im Detektionsbereich ein Photon absorbiert, so entsteht ein primäres Elektronen-Loch- Paar (Ep, Hp) . Das Elektron Ep wird entlang des Potentialgefälles, welches insbesondere durch die Potentialbarriere und die Kontaktspannung hervorgerufen wird, in Richtung des Kontaktbereichs 4 beschleunigt und kann sekundäre Elektronen- Loch-Paare (E3, Hg) durch Stoßionisation erzeugen. Dies ist durch, die Pfeile beim Leitungsband L und die Doppelpfeile zwischen Leitungsband L und Valenzband V angedeutet. Die Elektronen - Primär- und Sekundär-Elektronen - fließen zum Kontaktbereich 4 (Drain) ab.If a photon is absorbed in the detection area, a primary electron-hole pair is formed (E p , H p ). The electron E p is along the potential gradient, which is caused in particular by the potential barrier and the contact voltage, accelerated in the direction of the contact region 4 and can generate secondary electron-hole pairs (E 3 , Hg) by impact ionization. This is indicated by, the arrows in the conduction band L and the double arrows between conduction band L and valence band V. The electrons - primary and secondary electrons - flow away to contact area 4 (drain).
Die durch Stoßionisation im Detektionsbereich 7 erzeugten Löcher - Primär- und Sekundär-Löcher - fließen zum Barrierebereich 8. Dabei werden die Löcher durch das Potentialgefälle insbesondere in Richtung des Barrierebereichs 8 beschleunigt . In dem Barrierebereich 8 sind aufgrund der p-Dotierung zahlreiche negativ geladene Akzeptoratomrümpfe vorhanden. Durch die in den Barrierebereich 8 gelangenden, positiv geladenen und sich dort ansammelnden Löcher wird zumindest ein Teil der negativen Ladungen der Akzeptoratomrümpfe kompensiert, so dass die Höhe der Potentialbarriere P verringert wird. Die Löcher können mit den Dotierstoffrümpfen im Barrierebereich insbesondere rekombinieren.The holes generated by impact ionization in the detection region 7 - primary and secondary holes - flow to the barrier region 8. The holes are accelerated by the potential gradient, in particular in the direction of the barrier region 8. In the barrier region 8, numerous negatively charged acceptor atomic bodies are present due to the p-doping. By entering into the barrier region 8, positively charged and there accumulating holes at least a portion of the negative charges of the acceptor atomic bodies is compensated, so that the height of the potential barrier P is reduced. The holes can in particular recombine with the dopant fumes in the barrier region.
Figur 2C zeigt die Situation nach Verringerung der Potentialbarriere P.Figure 2C shows the situation after reduction of the potential barrier P.
Die Höhe der Potentialbarriere kann alleine durch die Akkumulation von Sekundärladungsträgern in dem Barrierebereich 8 derart stark verringert werden, dass ein Signalstrom I, der insbesondere von denThe height of the potential barrier can be reduced so much by the accumulation of secondary charge carriers in the barrier region 8 alone that a signal current I, which in particular from the
Majoritätsladungsträgern der Kontaktbereiche - vorliegend den Elektronen - getragen wird, von dem Kontaktbereich 5 (Source) zu dem Kontaktbereich 4 (Drain) fließt. Der Signalstrom kann eine Stärke von 0,1 mA oder mehr, bevorzugt von 1 mA oder mehr aufweisen. Zweckmäßigerweise ist das Halbleiterbauelement 1 derart dimensioniert, dass es derartige Ströme zerstörungsfrei durchleiten kann.Majority carriers of the contact areas - in the present case the electrons - is carried, flows from the contact region 5 (source) to the contact region 4 (drain). The signal current can have a thickness of 0.1 mA or more, preferably 1 mA or more. Conveniently, the semiconductor device 1 is dimensioned such that it can pass such currents destructive.
Die im Barrierebereich 8 akkumulierten Löcher verbleiben nach dem Abbau der Potentialbarriere bis zum Signalstromfluss vorzugsweise im Barrierebereich. Die Löcher können insbesondere durch die vormals ionisierten Dotierstoffatome im Barrierebereich gehalten werden und/oder mit diesen bereits rekombinert sein. Weiterhin weisen Löcher eine höhere effektive Masse als die Elektronen auf, so dass bereits eine vergleichsweise kleine Restpotentialbarriere genügt, um die Löcher im Barrierebereich zu halten, während die Elektronen eine derartige Restpotentialbarriere im Gegensatz zu den Löchern überwinden können.The holes accumulated in the barrier region 8 preferably remain in the barrier region after the potential barrier has been reduced to the signal current flow. The holes can be kept in the barrier area in particular by the previously ionized dopant atoms and / or already be recombined with them. Furthermore, holes have a higher effective mass than the electrons, so that even a comparatively small residual potential barrier is sufficient to hold the holes in the barrier region, while the electrons can overcome such a residual potential barrier as opposed to the holes.
Löcher tragen mit Vorzug nicht oder zumindest nicht signifikant zum Signalstrom I bei. Das Bauelement ist somit als unipolares Bauelement, dessen Strom nur von Ladungsträgern eines Ladungsträgertyps (im vorliegenden Beispiel: Elektronen) getragen wird.Holes preferably do not contribute to signal current I, or at least not significantly. The component is thus a unipolar component whose current is carried only by charge carriers of a charge carrier type (in the present example: electrons).
Die durch Stoßionisation erzeugten Ladungsträger E3, Hs tragen nicht signifikant zum Signal bei, sondern dienen vielmehr nur dem Barriereabbau und ermöglichen durch den Abbau der Barriere einen Signalstromfluss .The charge carriers E 3 , H s generated by impact ionization do not contribute significantly to the signal, but rather serve only for barrier degradation and enable a signal current flow through the degradation of the barrier.
Die Höhe der Potentialbarriere ist dabei bevorzugt derart bemessen, dass bei einer vorgegebenen Kontaktspannung vor dem Strahlungseinfall kein Signalstrom zwischen den Kontaktbereichen 4, 5 fließt. Weiterhin ist die Höhe der Potentialbarriere auf den Detektionsbereich 7 und/oder die Kontaktspannung V^ zweckmäßigerweise derart abgestimmt, dass die Potentialbarriere durch mittels Stoßionisation erzeugte Ladungsträger soweit verringerbar ist, dass - mit Vorteil bereits durch den Einfall eines einzelnen Photons verursacht - ein Signalstrom zwischen den Kontaktbereichen fließen kann.The height of the potential barrier is preferably dimensioned such that at a predetermined contact voltage before the radiation incidence no signal current flows between the contact regions 4, 5. Furthermore, the height of the potential barrier to the detection area 7 and / or the Contact voltage V ^ suitably adjusted so that the potential barrier can be reduced as far as generated by impact ionization charge carriers that - caused already advantageously by the incidence of a single photon - a signal current can flow between the contact areas.
Die Barrierenhöhe kann dabei zweckmäßigerweise durch die Steuerelektrode 12 und insbesondere über ein mittels dieser Steuerelektrode an den Barrierebereich angelegtes elektrisches Steuerfeld beziehungsweise eine angelegte Steuerspannung beziehungsweise Steuerpotential V3 eingestellt werden. Mittels der Steuerelektrode 12 kann der Arbeitspunkt des Halbleiterbauelements eingestellt werden. Es ist also insbesondere nicht erforderlich, das Bauelement bereits mit einer vorgegebenen Barrierenhöhe zu fertigen, sondern die Höhe der Barriere kann über die Steuerelektrode - zum Beispiel mittels einer zuvor ermittelten vorgegebenen Steuerspannung beziehungsweise eines Steuerpotentials - geeignet eingestellt werden.In this case, the barrier height can expediently be set by the control electrode 12 and in particular via an electrical control field or an applied control voltage or control potential V 3 applied to the barrier area by means of this control electrode. By means of the control electrode 12, the operating point of the semiconductor device can be adjusted. In particular, it is therefore not necessary to manufacture the component already with a predetermined barrier height, but the height of the barrier can be suitably adjusted via the control electrode, for example by means of a previously determined predetermined control voltage or a control potential.
Wird beispielsweise eine positive Steuerspannung V3 an das Bauelement angelegt, so kann sich zwischen den Kontaktbereichen 4, 5 der in Figur 2B gestrichelt dargestellte Bandverlauf ergeben. Die Barriere kann also zum Beispiel abgesenkt werden.If, for example, a positive control voltage V 3 is applied to the component, then the band profile shown in dashed lines in FIG. 2B can result between the contact regions 4, 5. The barrier can therefore be lowered, for example.
Es kann insbesondere ein einziges Photon genügen, um ein signifikantes messbares Stromsignal des Halbleiterbauelements 1 auszulösen. Wird das Signal erfasst, so kann ein einzelnes Photon oder auch ein Strahlungspuls auf effiziente Weise nachgewiesen werden. Wird nach dem Signalstromfluss an die Steuerelektrode eine geeignet gepolte Spannung angelegt, zum Beispiel für Löcher eine negative Spannung, so können die im Barrierebereich akkumulierten Ladungsträger wieder aus dem Barrierebereich entfernt ("abgesaugt") werden. In der Folge erhöht sich die Barriere wieder. Ein Signalstromfluss kann dann wieder unterbunden werden. Der Detektor ist dann im Ausgangszustand und wieder bereit für eine erneute Strahlungsdetektion.In particular, a single photon can be sufficient to trigger a significant measurable current signal of the semiconductor component 1. If the signal is detected, a single photon or even a radiation pulse can be detected efficiently. If a suitably polarized voltage is applied to the control electrode after the signal current flow, for example a negative voltage for holes, then the charge carriers accumulated in the barrier region can be removed from the barrier region ("sucked off"). As a result, the barrier increases again. A signal current flow can then be prevented again. The detector is then in the initial state and ready for a new radiation detection.
Der Strahlungsdetektor kann über die Steuerelektrode, insbesondere ab dem Signalstromfluss, in einem Zeitintervall von 1 ms oder weniger, bevorzugt von 1 μs oder weniger, besonders bevorzugt von 50 ns oder weniger, zum Beispiel von 10 ns oder weniger, von 1 ns oder weniger, von 100 ps oder weniger oder von 50 ps oder weniger in den Ausgangszustand versetzt werden. Das Zeitintervall kann zwischen jeweils einschließlich 1 ns und 10 ns liegen.The radiation detector can, via the control electrode, in particular from the signal current flow, in a time interval of 1 ms or less, preferably 1 μs or less, more preferably 50 ns or less, for example 10 ns or less, 1 ns or less, from 100 ps or less, or from 50 ps or less, to the initial state. The time interval can be between 1 ns and 10 ns in each case.
Aufeinanderfolgende Detektionsvorgänge können dementsprechend insbesondere mit einer Frequenz von 1 kHz oder mehr, bevorzugt von 50 kHz oder mehr, besonders bevorzugt von 300 kHz oder mehr, zum Beispiel von 1 MHz oder mehr, von 20 MHz oder mehr, von 100 MHz oder mehr, von 1 GHz oder mehr, von 10 GHz oder mehr oder von 20 GHz oder mehr durchgeführt werden.Accordingly, sequential detection operations may in particular be performed at a frequency of 1 kHz or more, preferably 50 kHz or more, more preferably 300 kHz or more, for example 1 MHz or more, 20 MHz or more, 100 MHz or more 1 GHz or more, 10 GHz or more, or 20 GHz or more.
Ein vergleichsweise zeitintensives Rückversetzen des Halbleiterbauelements 1 in den Ausgangszustand über Quenching wie bei der Lawinen- Photodiode kann vermieden werden.A comparatively time-consuming resetting of the semiconductor device 1 in the initial state via quenching as in the avalanche photodiode can be avoided.
Der Verlauf des Dotierprofils von dem Kontaktbereich 4 entlang des Strompfads 6 über den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8 und insbesondere den Sperrbereich 9 zum Kontaktbereich 5 ist in Figur 2 lediglich exemplarisch als n-i-p-i-n angegeben. Auf analoge Weise arbeitende Bauelemente können gegebenenfalls auch mit folgenden Dotierprofilverläufen ausgebildet werden: p-i-n-i-p, n-i-n-i-p, p-i-p-i-n, p-i-p-i-p oder n-i-n-i-n.The profile of the doping profile from the contact region 4 along the current path 6 via the detection region 7, the barrier region 8 and in particular the blocking region 9 to the contact region 5 is merely exemplary in FIG nipin indicated. Optionally working components may also be formed with the following doping profiles: pinip, ninip, pipin, pipip or ninin.
Wird dabei der Barrierebereich mittels eines n-leitend dotierten Barrierebereichs gebildet, so wäre die Rolle von Elektronen und Löchern entsprechend vertauscht. Auch die Polung der angelegten Spannungen/Potentiale wäre eventuell geeignet umzukehren.If the barrier region is formed by means of an n-type doped barrier region, the role of electrons and holes would be correspondingly reversed. Also the polarity of the applied voltages / potentials might be suitable to reverse.
Da die durch Stoßionisation erzeugten Ladungsträger nicht wesentlich zum Signal beitragen, kann das Halbleiterbauelement bei erheblich geringeren Spannungen betrieben werden als eine Lawinen-Photodiode. Der Signalstrom kann vielmehr ausschließlich oder überwiegend durch den zwischen Kontaktbereichen fließenden Strom gebildet werden, wobei die durch Stoßionisation erzeugten Ladungsträger im Wesentlichen nur dem Abbau der Potentialbarriere dienen. Insbesondere kann der volle Verstärkungsfaktor des dem Halbleiterbauelement zu Grunde liegenden modifizierten Transistors zum Signal führen. Der Verstärkungsfaktor kann 104 oder mehr, vorzugsweise 105 oder mehr, betragen.Since the charge carriers generated by impact ionization do not contribute significantly to the signal, the semiconductor device can be operated at significantly lower voltages than an avalanche photodiode. Rather, the signal current can be formed exclusively or predominantly by the current flowing between contact regions, the charge carriers generated by impact ionization essentially serving only for breaking down the potential barrier. In particular, the full amplification factor of the modified transistor underlying the semiconductor component can lead to the signal. The amplification factor may be 10 4 or more, preferably 10 5 or more.
Da die Stoßionisation nicht der für die SignalStromstärke maßgebliche Mechanismus ist, kann das Halbleiterbauelement bei analoger Dimensionierung zu einer vorgegebenen Lawinen- Photodiode im Vergleich mit der Lawinen-Photodiode mit wesentlich geringeren Kontaktspannungen (Betriebsspannungen) betrieben werden.Since impact ionization is not the mechanism governing the signal current strength, the semiconductor device can be operated with analog dimensioning to a given avalanche photodiode in comparison with the avalanche photodiode with much lower contact voltages (operating voltages).
Dies hat einen besonderen Vorteil bei der Ausbildung einer Halbleiteranordnung mit einer Mehrzahl von derartigen Halbleiterbauelementen. Da die Betriebsspannung (Kontaktspannung) vergleichsweise gering ist, können die Halbleiterbauelemente gegenüber Lawinen-Photodioden dichter gepackt werden und/oder eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Halbleiterbauelementen kann geringer, zum Beispiel dünner, ausgeführt werden, ohne dass die Gefahr eines Übersprechens oder eines elektrischen Durchschlags zwischen benachbarten Halbleiterbauelementen erhöht ist.This has a particular advantage in the formation of a semiconductor device having a plurality of such Semiconductor devices. Since the operating voltage (contact voltage) is comparatively low, the semiconductor devices can be packed more densely against avalanche photodiodes and / or electrical insulation between adjacent semiconductor devices can be made smaller, for example thinner, without the risk of crosstalk or electrical breakdown between is increased adjacent semiconductor devices.
Bei einer Erhöhung der Packungsdichte derWith an increase in the packing density of
Halbleiterbauelemente wird die zur Strahlungsdetektion zur Verfügung stehende Fläche der Halbleiteranordnung und darüber insbesondere die Quantenausbeute pro Flächeneinheit erhöht .Semiconductor components, the area available for the radiation detection surface of the semiconductor device and in particular the quantum efficiency per unit area increased.
Figur 3 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine derartige Halbleiteranordnung 100 mit einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen 1, die zweckmäßigerweise wie oben beschrieben ausgeführt und insbesondere betreibbar sind. Die Halbleiteranordnung kann monolithisch integriert ausgebildet sein. Ein einziger Kontaktbereich 5 kann allen Halbleiterbauelementen 1 der Halbleiteranordnung 100 gemein sein.FIG. 3 schematically shows a plan view of such a semiconductor arrangement 100 with a plurality of semiconductor components 1, which are expediently designed and in particular operable as described above. The semiconductor device may be monolithically integrated. A single contact region 5 may be common to all semiconductor devices 1 of the semiconductor device 100.
Die Halbleiterbauelemente 1 können zum Beispiel aus einer gemeinsamen Epitaxieschichtenfolge, welche auf einem Substrat gewachsen wurde, gefertigt sein. Das Substrat kann dabei den allen Halbleiterbauelementen 1 der Halbleiteranordnung 100 gemeinsamen Kontaktbereich 5 bilden.The semiconductor devices 1 may be made, for example, from a common epitaxial layer sequence grown on a substrate. In this case, the substrate can form the contact region 5 common to all semiconductor components 1 of the semiconductor arrangement 100.
Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Strahlungsdetektors 200. Der Strahlungsdetektor 200 weist dabei eine Halbleiteranordnung 100 oder ein Halbleiterbauelement 1 wie weiter oben beschrieben auf . Strahlungseintrittsseitig ist der Halbleiteranordnung oder dem Halbleiterbauelement ein Umwandlungselement 18 vorgeordnet.FIG. 4 shows a schematic sectional view of an exemplary embodiment of a radiation detector 200. In this case, the radiation detector 200 has a semiconductor device 100 or a semiconductor device 1 as above described on. Radiation inlet side of the semiconductor device or the semiconductor device, a conversion element 18 is arranged upstream.
Im Umwandlungselement 18 kann Strahlung 19, deren Wellenlänge außerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs liegt und daher keinen Primärladungsträger erzeugen kann, in Strahlung 20 umgewandelt werden, deren Wellenlänge innerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs liegt und die daher einen Primärladungsträger erzeugen kann.In the conversion element 18, radiation 19 whose wavelength is outside the spectral sensitivity range of the detection region and therefore can not generate a primary charge carrier can be converted into radiation 20 whose wavelength lies within the spectral sensitivity range of the detection region and which can therefore generate a primary charge carrier.
Die Strahlung 19 kann beispielsweise Röntgenstrahlung oder γ- Strahlung sein. Als Umwandlungselement eignet sich hierfür zum Beispiel ein Szintillator . Dieser kann Strahlung 20 innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs des Halbleiterbauelements 1 beziehungsweise der Halbleiteranordnung 100, das beziehungsweise die vorzugsweise auf Silizium basiert, erzeugen.The radiation 19 may be, for example, X-radiation or γ radiation. As a conversion element, for example, a scintillator is suitable. This can generate radiation 20 within the sensitivity range of the detection region of the semiconductor component 1 or the semiconductor arrangement 100, which is preferably based on silicon.
Dabei ist die Anzahl an im Umwandlungselement 18 erzeugten Photonen der Strahlung 20 vorzugsweise proportional zur Energie der auf das Umwandlungselement einfallenden Strahlung 19 beziehungsweise der Energie des einfallenden Strahlungsquants. Das in der Halbleiteranordnung 100 beziehungsweise dem Halbleiterbauelement 1 erhaltene Signal ist vorzugsweise proportional zur Anzahl der absorbierten Photonen der Strahlung 20. Auf diese Weise kann eine energieaufgelöste Messung der einfallenden Strahlung 19 erreicht werden.In this case, the number of photons of the radiation 20 generated in the conversion element 18 is preferably proportional to the energy of the radiation 19 incident on the conversion element or of the energy of the incident radiation quantum. The signal obtained in the semiconductor device 100 or the semiconductor device 1 is preferably proportional to the number of absorbed photons of the radiation 20. In this way, an energy-resolved measurement of the incident radiation 19 can be achieved.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements 1 anhand einer schematischen Schnittansicht. Im Gegensatz zu dem im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Halbleiterbauelement, welches als vertikales Bauelement ausgeführt ist, ist das Bauelement gemäß Figur 5 als laterales Bauelement ausgeführt . Der grundsätzliche Aufbau entspricht jedoch dem oben beschriebenen Halbleiterbauelement. Im Gegensatz dazu sind die einzelnen Bereiche, also die Kontaktbereiche 4, 5, der Detektionsbereich 7, der Barrierebereich 8 und/oder der Sperrbereich 9 lateral nebeneinander im Halbleiterkörper 2 angeordnet und vorzugsweise in einer Halbleiterschicht 21 ausgebildet. Die Dielektrikumsschicht 14 kann für das Fenster 15 ausgespart sein. Die Antireflexbeschichtung 16 kann im Fenster 15 der Dielektrikumsschicht angeordnet sein. Die grundsätzliche Funktionsweise des Bauelements entspricht der oben im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsbeispielen beschriebenen .FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a radiation-receiving semiconductor component 1 with reference to FIG schematic sectional view. In contrast to the semiconductor component described in connection with FIG. 1, which is designed as a vertical component, the component according to FIG. 5 is designed as a lateral component. However, the basic structure corresponds to the semiconductor device described above. In contrast, the individual regions, that is to say the contact regions 4, 5, the detection region 7, the barrier region 8 and / or the blocking region 9 are arranged laterally next to one another in the semiconductor body 2 and are preferably formed in a semiconductor layer 21. The dielectric layer 14 may be recessed for the window 15. The anti-reflection coating 16 may be disposed in the window 15 of the dielectric layer. The basic mode of operation of the component corresponds to that described above in connection with the other exemplary embodiments.
Die Halbleiterschicht 21 kann auf einem Substrat 22 angeordnet sein. Zwischen dem Substrat 22 und dem Halbleiterkörper 2, der vorliegend durch eine einzelne Halbleiterschicht 21 gebildet sein kann, kann eine Isolationsschicht 23 angeordnet sein. Eine vorgefertigte Struktur mit dem Substrat 22 der Isolationsschicht 23 und der Halbleiterschicht 21 kann beispielsweise als Silicon-on- Insulator-Substrat von der Firma SOITEC erworben werden.The semiconductor layer 21 may be disposed on a substrate 22. An insulating layer 23 may be arranged between the substrate 22 and the semiconductor body 2, which in the present case may be formed by a single semiconductor layer 21. A prefabricated structure with the substrate 22 of the insulating layer 23 and the semiconductor layer 21 can be acquired, for example, as a silicon-on-insulator substrate from SOITEC.
Der Strompfad 6 erstreckt sich lateral entlang einer lateralen Haupterstreckungsrichtung oder -ebene der Halbleiterschicht 21 beziehungsweise des Substrats 22. Die Halbleiterschicht 21 kann monokristallin und insbesondere epitaktisch gewachsen sein.The current path 6 extends laterally along a main lateral extension direction or plane of the semiconductor layer 21 or of the substrate 22. The semiconductor layer 21 can be grown monocrystalline and in particular epitaxially.
Die einzelnen dotierten Bereiche der Halbleiterschicht können mittels Implantation von Dotierstoffen ausgebildet werden. Ein laterales Bauelement ist gegenüber einem vertikalen Bauelement weniger kostenintensiv in der Fertigung. Damit eignet sich ein laterales Bauelement besonders für die Massenfertigung .The individual doped regions of the semiconductor layer can be formed by implantation of dopants. A lateral component is less expensive than a vertical component in manufacturing. Thus, a lateral component is particularly suitable for mass production.
Die Isolationsschicht 23 kann das Abfließen von Ladungsträgern aus dem Halbleiterkörper 2 in das Substrat verhindern .The insulating layer 23 can prevent the outflow of charge carriers from the semiconductor body 2 into the substrate.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 011 280.1 vom 27. Februar 2008, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit explizit durch Rückbezug in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird.This patent application claims the priority of German patent application DE 10 2008 011 280.1 dated 27 February 2008, the entire disclosure content of which is hereby explicitly incorporated by reference into the present patent application.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the claims or exemplary embodiments.

Claims

Patentansprüche claims
1. Strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper und einer Strahlungseintrittsseite, wobeiA radiation-receiving semiconductor device having a semiconductor body and a radiation entrance side, wherein
- der Halbleiterkörper einen für den Strahlungsempfang vorgesehenen Detektionsbereich, zumindest zwei elektrische Kontaktbereiche und zumindest einen dotierten Barrierebereich aufweist,the semiconductor body has a detection area provided for the radiation reception, at least two electrical contact areas and at least one doped barrier area,
- sich ein Strompfad zwischen den Kontaktbereichen im Halbleiterkörper erstreckt,a current path extends between the contact regions in the semiconductor body,
- der Barrierebereich und der Detektionsbereich in dem Strompfad zwischen den Kontaktbereichen angeordnet sind,the barrier region and the detection region are arranged in the current path between the contact regions,
- der Barrierebereich zur Ausbildung einer Potentialbarriere geeignet ist, die zwischen dem Detektionsbereich und demjenigen Kontaktbereich angeordnet ist, welcher entlang des Strompfads gesehen auf der von dem Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs liegt,the barrier region is suitable for forming a potential barrier which is arranged between the detection region and the contact region which, viewed along the current path, lies on the side of the barrier region which faces away from the detection region,
- das Bauelement eine Steuerelektrode für das Anlegen eines elektrischen Steuerfeldes an den Barrierebereich aufweist,the component has a control electrode for applying an electric control field to the barrier region,
- zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleiterkörper ein Dielektrikum angeordnet ist, und- Between the control electrode and the semiconductor body, a dielectric is arranged, and
- die Höhe der Potentialbarriere über die Steuerelektrode steuerbar ist.- The height of the potential barrier is controllable via the control electrode.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem sich die Steuerelektrode über den Barrierebereich erstreckt.2. The semiconductor device of claim 1, wherein the control electrode extends beyond the barrier region.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, das derart ausgebildet ist, dass ein Primärladungsträger in dem Detektionsbereich mittels Stoßionisation Sekundärladungsträger erzeugen kann. 3. Semiconductor component according to claim 1 or 2, which is designed such that a primary charge carrier in the detection region can generate secondary charge carriers by impact ionization.
4. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem entlang des Strompfads gesehen auf der vom Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs ein Sperrbereich im Halbleiterkörper vorgesehen ist.4. A semiconductor device according to at least one of claims 1 to 3, in which, viewed along the current path, a blocking region is provided in the semiconductor body on the side of the barrier region facing away from the detection region.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem sich die Steuerelektrode über einen oder eine Mehrzahl folgender Bereiche erstreckt: Detektionsbereich, Sperrbereich .5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the control electrode extends over one or a plurality of the following areas: detection area, blocking area.
6. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem dem Detektionsbereich strahlungseintrittsseitig einer der Kontaktbereiche vorgeordnet ist und in diesem Kontaktbereich ein Fenster für den Strahlungseintritt in den Detektionsbereich ausgebildet ist.6. A semiconductor device according to at least one of claims 1 to 5, wherein the detection region is arranged upstream of one of the contact areas of the radiation inlet side and in this contact area a window for the radiation entry is formed in the detection area.
7. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem dem Detektionsbereich strahlungseintrittsseitig eine Antireflexionsschicht vorgeordnet ist.7. The semiconductor device according to at least one of claims 1 to 6, wherein the detection region is disposed upstream of the radiation inlet side, an anti-reflection layer.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 und 7 oder einem darauf rückbezogenen Anspruch, bei dem die Antireflexionsschicht im Fenster angeordnet ist.8. A semiconductor device according to claim 6 and 7 or a claim dependent thereon, wherein the anti-reflection layer is arranged in the window.
9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , bei dem der Detektionsbereich entlang des Strompfades eine Ausdehnung aufweist, die größer ist als die Ausdehnung des Sperrbereichs entlang des Strompfades . 9. A semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the detection region along the current path has an extension which is greater than the extension of the stopband along the current path.
10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das als unipolares Bauelement ausgeführt ist.10. A semiconductor device according to any one of claims 1 to 9, which is designed as a unipolar device.
11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Bauelement eine modifizierte MOSFET-Struktur, aufweist, wobei ein Kontaktbereich für die Source, der andere Kontaktbereich für die Drain sowie die Steuerelektrode als Gateelektrode vorgesehen ist und wobei der Detektionsbereich zwischen dem Barrierebereich und der Drain angeordnet ist.11. A semiconductor device according to any one of claims 1 to 10, wherein the device has a modified MOSFET structure, wherein a contact region for the source, the other contact region for the drain and the control electrode is provided as a gate electrode and wherein the detection area between the barrier region and the drain is arranged.
12. Strahlungsdetektor mit einem Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zur Detektion von Strahlung außerhalb des spektralen12. Radiation detector with a semiconductor component according to at least one of the preceding claims for the detection of radiation outside the spectral
Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs, wobei der Strahlungsdetektor ein Umwandlungselement aufweist, das einfallende Strahlung in Strahlung innerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs umwandelt.Sensitivity range of the detection area, wherein the radiation detector comprises a conversion element that converts incident radiation into radiation within the spectral sensitivity range of the detection area.
13. Verfahren zum Betreiben eines Strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements oder eines Strahlungsdetektors nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisend die Schritte: a) Anlegen einer Kontaktspannung zwischen den beiden13. A method of operating a radiation-receiving semiconductor device or a radiation detector according to at least one of the preceding claims, comprising the steps of: a) applying a contact voltage between the two
Kontaktbereichen, wobei die Kontaktspannung und der Detektionsbereich derart aufeinander abgestimmt werden, dass im Detektionsbereich durch Absorption erzeugte Ladungsträger einesContact areas, wherein the contact voltage and the detection range are matched to one another such that in the detection range generated by absorption carriers of a
Ladungsträgertyps im Detektionsbereich durch Stoßionisation weitere Ladungsträger erzeugen können, und wobei die mittels des Barrierebereichs gebildete Potentialbarriere und die Kontaktspannung derart aufeinander abgestimmt werden, dass ein Signalstromfluss von dem einen Kontaktbereich zu dem anderen Kontaktbereich unterbunden ist; b) Absorption von Strahlung, insbesondere eines Einzelphotons oder eines Strahlungspulses, im Detektionsbereich unter Erzeugung von zumindest einem Primärladungsträger eines Ladungsträgertyps im Detektionsbereich durch die absorbierte Strahlung; c) Erzeugung von Sekundärladungsträgem mittels Stoßionisation durch den Primärladungsträger im Detektionsbereich; d) Verringerung der Potentialbarriere durchCharge carrier type in the detection region by impact ionization can produce further charge carriers, and wherein the potential barrier formed by the barrier region and the contact voltage are coordinated such that a signal flow is prevented from the one contact region to the other contact region; b) absorption of radiation, in particular of a single photon or of a radiation pulse, in the detection region while generating at least one primary charge carrier of a charge carrier type in the detection region by the absorbed radiation; c) generation of secondary charge carriers by impact ionization by the primary charge carrier in the detection area; d) Reduction of the potential barrier by
Sekundärladungsträger eines Ladungsträgertyps, die zu dem Barrierebereich driften und sich dort sammeln, derart, dass ein Signalstrom von dem einen Kontaktbereich zu dem anderen Kontaktbereich fließt.Charge carrier-type secondary carriers that drift and collect to the barrier region such that a signal current flows from one contact region to the other contact region.
14. Verfahren nach Anspruch 13 , bei dem die Kontaktspannung 50 V oder weniger beträgt. 14. A method according to claim 13, wherein the contact voltage is 50 V or less.
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