WO2010057835A2 - Strahlungsdetektor, verwendung eines strahlungsdetektors und verfahren zur herstellung eines strahlungsdetektors - Google Patents

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detector
region
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Elena Popova
Holger Lange
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    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1446—Devices controlled by radiation in a repetitive configuration

Definitions

  • Radiation detector use of a radiation detector and method of making a radiation detector
  • a radiation detector is specified.
  • a use of such a radiation detector is specified.
  • a method for producing a radiation detector is specified.
  • the document EP 1 755 171 A1 relates to a silicon-based photomultiplier and a photodetector.
  • An object to be solved is to provide a radiation detector which has a high sensitivity. Another object to be solved is to specify a use of such a radiation detector. Furthermore, an object to be solved is to provide an efficient method for producing a sensitive radiation detector.
  • the latter is configured to detect electromagnetic radiation.
  • the radiation to be detected has, for example, wavelengths in the spectral range between 200 nm and 3000 nm, in particular in the spectral range between 300 nm and 800 nm.
  • the radiation detector is preferably set up to detect wavelengths in the range between 380 nm and 450 nm. Further preferably, the radiation detector is configured to detect individual photons of the radiation.
  • the radiation detector may be suitable for operation as a photon counter.
  • the latter has at least one detector cell.
  • the detector cell is in this case a unit which is set up to generate a detector signal.
  • a detector cell is a separately operable unit.
  • the detector cell has a semiconductor body.
  • the semiconductor body comprises silicon or consists of silicon.
  • the semiconductor body may also contain or consist of other element semiconductors or compound semiconductors, for example germanium or GaAs.
  • the semiconductor body has a radiation entrance surface.
  • the radiation entrance surface preferably forms part of an upper side of the semiconductor body. In this case, the upper side faces away from an underside of the semiconductor body.
  • the radiation entrance surface is planar or planar.
  • the radiation entrance surface is adapted to allow at least a part of a radiation to be detected by the radiation detector to enter the semiconductor body.
  • the semiconductor body of the detector cell comprises a first electrode region.
  • the first electrode region is a contiguous region.
  • the first electrode region is a flat design
  • the first electrode region may be planar and may be located at the radiation entrance surface and / or at the top of the Semiconductor body are located.
  • the first electrode region for example in a direction perpendicular to the radiation entrance surface, preferably has a thickness of less than 200 nm, in particular less than 100 nm.
  • the first electrode region may be doped.
  • the first electrode region is generated by implantation of ions into the semiconductor body. Alternatively or additionally, it is possible that the first electrode region has grown partially or completely epitaxially.
  • the semiconductor body comprises a second electrode region.
  • the second electrode region also preferably forms a continuous electrically conductive region.
  • the second electrode region is generated by implantation and doping with ions.
  • the second electrode region is located further from an upper side and / or the radiation entrance surface of the semiconductor body than the first electrode region. In other words, a distance of the first electrode region from the upper side of the semiconductor body may be smaller than a distance of the second electrode region from the upper side.
  • the semiconductor body of the detector cell has an active zone.
  • the active zone is in this case between the first electrode region and the second electrode region.
  • the active zone is preferably set up to generate free charge carriers by means of avalanche multiplication.
  • the active zone is a so-called avalanche zone.
  • the second electrode region is farther from the top of the semiconductor body than within the region covered by the active zone and / or extends away from the top.
  • the edge represents, in particular, a lateral boundary of the active zone.
  • the edge is a fictitious surface which surrounds the active zone laterally in a circle.
  • the first electrode region or second electrode region directly adjoin the active zone.
  • the electrode regions preferably have a constant distance from one another.
  • the second electrode region extends, at least in places, away from the upper side and / or has a greater distance in a lateral direction next to the active zone
  • the latter comprises at least one detector cell, wherein a semiconductor body of the detector cell has a first electrode region. Furthermore, the semiconductor body comprises a second electrode region, which is farther away from an upper side of the semiconductor body than the first electrode region. Between the first
  • Electrode region and the second electrode region is an active zone, which is set up to generate free charge carriers by means of an avalanche multiplication.
  • the second electrode region extends away from the top side.
  • Field elevations arise, for example, due to sharp edges or abrupt boundaries of electrodes.
  • an electric field strength can be locally so great that an avalanche breakdown can also result without absorption of a photon.
  • Such avalanche breakdowns which are not triggered by the absorption of one of the photons of a radiation to be detected, increase the dark current of the radiation detector, whereby the detection accuracy is reduced.
  • the first electrode region has two main directions of extension.
  • the first main extension direction is in particular that direction or one of the directions along which the first one
  • Electrode region has a largest extent.
  • the second main extension direction is preferably oriented perpendicular to the first main extension direction.
  • the two main extension directions form two orthogonal lines.
  • the main directions of extension extend along two adjacent sides of the rectangle.
  • the two main directions of extension define a plane which intersects the first electrode region. For example, this plane intersects the first electrode area in a zone of the first one
  • Electrode region which is located closest to the radiation entrance surface and / or is located farthest from one of the radiation entrance surface side facing away from the semiconductor body.
  • the plane is preferably aligned parallel to the upper side of the semiconductor body, the upper side representing a two-dimensional subregion of the plane.
  • the active zone in particular in a direction perpendicular to the upper side of the semiconductor body and / or to the plane, has a thickness of between 0.4 ⁇ m and 3 ⁇ m, preferably between 0.7 ⁇ m and 1.8 inclusive microns.
  • the semiconductor body has a bottom region on an underside facing away from the first electrode region.
  • a specific resistance of the semiconductor body is at least 0.50 k ⁇ cm.
  • the specific resistance is at least 1.00 k ⁇ cm or at least 3.00 k ⁇ cm.
  • the semiconductor body is formed in the bottom region of high impedance.
  • a carrier is attached to the underside of the semiconductor body.
  • the semiconductor body can be mechanically supported via the carrier.
  • a small thickness of the semiconductor body in particular in a direction perpendicular to the plane and / or to the top of the semiconductor body, can be realized. Due to the small thickness of the semiconductor body, for example, a noise current can be reduced from a rear side of the semiconductor body facing away from the first electrode region, as a result of which the detection accuracy can be increased.
  • the carrier is mechanically connected to the semiconductor body via a dielectric connection layer.
  • the bonding layer may be a bonding layer, for example, a silicon dioxide bonding layer.
  • the latter comprises a plurality of, in particular, similar detector cells.
  • the radiation detector includes at least 16 detector cells, preferably at least 64 detector cells.
  • the detector cells are adjacent to each other. Adjacent may mean that the detector cells adjoin one another in a lateral direction.
  • At least one trench is formed between at least two of the adjacent detector cells.
  • the trench preferably extends from the top side of the semiconductor body to the bottom side of the semiconductor body. It is not required that the trench completely penetrates the semiconductor body towards the bottom, but this is possible.
  • the at least one trench furthermore has at least one trench wall. In particular, the trench wall forms an interface of the semiconductor body towards the trench.
  • the trench may be completely or partially filled with one or more different solids.
  • the trench wall closes with the upper side of the trench wall
  • Semiconductor body an angle between 75 ° and 130 ° inclusive, in particular between 85 ° and 105 ° inclusive.
  • at least one of the trench walls or all trench walls are aligned perpendicular to the upper side of the semiconductor body.
  • the detector cells are arranged like a matrix.
  • all detector cells are of identical design.
  • the detector cell or comprises at least one of the detector cells or comprise all detector cells at least one erase resistance.
  • the erasure resistance is preferably electrically conductively connected to the respective first electrode region or to the respective second electrode region of the relevant detector cell. Electrically conductively connected may mean that there is no significant electrical resistance between the soldering resistor and the first electrode region, in particular if no avalanche breakdown occurs.
  • the resistance of a connecting line between the first electrode region and the erosion resistor is at most 1% of a value of the erosion resistance.
  • the resistance of the connecting line is an ohmic resistance.
  • the erosion resistance can also be referred to as a quench resistor.
  • the erase resistor is made of polysilicon.
  • the erosion resistor has a resistance of at least 100 k ⁇ .
  • the erosion resistance is preferably between 300 k ⁇ and 2 M ⁇ inclusive.
  • the erase resistance extends into or over the trench. If the radiation detector has a plurality of detector cells, then at least one of the extinguishing resistors, preferably all the extinguishing resistors, extends partially or completely into or over the trench. For example, at least the erase resistance or one of the erosion resistors extends along the trench wall or along at least one of the trench walls. As a result, the available surface area for the radiation entrance surface is advantageously not or not significantly reduced by the soldering resistance.
  • Radiation detector in which it has a plurality of detector cells, at least two of the adjacent detector cells are optically separated from each other. For example, in the active zone of a photon to be detected on the
  • adjacent detector cells are optically separated from one another by a coating on at least one of the trench walls.
  • the coating may be reflective and / or absorbing with respect to the secondary photons.
  • the coating is realized by a metallic coating.
  • the filling is formed by a metal.
  • the at least one second electrode region is formed by a doping zone, in particular produced by ion implantation, in the semiconductor body, which has elevations, which are designed, for example, like a cap.
  • a doping zone in particular produced by ion implantation
  • the semiconductor body which has elevations, which are designed, for example, like a cap.
  • Each of the active zones is in this case preferably assigned to one of the elevations of the doping zone.
  • the doping zone is delimited from the environment with respect to its electrical conductivity, so that an electrical conductivity of the doping zone has an electrical conductivity of the surroundings, in particular by at least a factor of 5, preferably by at least a factor of 50, especially by at least a factor of 100. exceeds.
  • a dopant concentration of the doping zone is preferably increased by at least a factor of 5, in particular by a factor of 5 to a factor of 1000, relative to the environment.
  • the dopant concentration of the doping zone is at least in places at least 10 17 per cm 3 .
  • Cap-like elevations may mean that the doping zone is shaped like an egg carton.
  • a subregion of the doping zone is embodied in a planar manner and aligned parallel to the upper side of the semiconductor body and / or to the plane defined by the first electrode region. Starting from this partial region of the doping zone, the elevations of the doping zone then extend toward the plane defined by the first electrode region and / or towards the upper side.
  • the elevations are, for example, truncated pyramid or truncated cone-shaped.
  • a part of the elevations parallel to the subregion of the doping zone, which is closer than the subarea at the upper side and / or at the plane defined by the first electrode region, preferably adjoins the active zone.
  • the doping zone through which the at least one second electrode region is formed has a uniform thickness.
  • the thickness is then uniform across the entire radiation detector.
  • the second electrode region outside the active zone is oriented at least in places parallel to the upper side of the semiconductor body and / or to the plane defined by the first electrode region.
  • the second electrode region-forming doping zone is preferably a continuous zone between at least two of the adjacent detector cells.
  • the doping zone is a continuous zone over the entire radiation detector.
  • a proportion of a surface of the first electrode region on a total surface of the radiation detector, viewed in plan view on the upper side of the semiconductor body, is at least 25%, preferably at least 30%, in particular at least 45%.
  • the first electrode region in a plan view of the upper side at the edge of the active zone, has a region which extends deeper into the semiconductor body than a region within a region covered by the active zone.
  • the first electrode region extends at the edge from the top side of the semiconductor body and / or away from the plane.
  • the first electrode region may have a trough-like design at the edge of the active zone.
  • the region of the first electrode region which extends deeper into the semiconductor body completely circumscribes the active zone.
  • the region of the first electrode region extending deeper into the semiconductor body has a greater distance from the second electrode region than the region of the first electrode region which is located within the region covered by the active zone.
  • the first electrode region does not penetrate the semiconductor body, in a direction perpendicular to the top side and / or to the plane. The first electrode region does not extend to the underside of the semiconductor body or to the second electrode region.
  • a use of a radiation detector is specified.
  • the use may, for example, relate to a radiation detector as described in connection with one or more of the above-mentioned embodiments.
  • the radiation detector In at least one embodiment of the use of the radiation detector, it is operated with an electrical voltage that is equal to or greater than a breakdown voltage of the detector cell. In this case, the voltage is applied between the at least one first and the at least one second electrode region.
  • Breakthrough voltage may mean that a voltage in the reverse direction is applied to the first electrode region and to the second electrode region.
  • the breakdown voltage corresponds to the voltage at which no significant current flow from the first electrode region to the second electrode region, or vice versa, takes place without an external disturbance, for example due to the absorption of a photon.
  • the electrical voltage is at least 1.05 times and preferably at most 1.15 times the breakdown voltage.
  • the breakdown voltage lies between including 20V and 100V, especially between 30V and 40V inclusive.
  • a method for producing a radiation detector is also specified.
  • a radiation detector can be produced, as described in connection with one or more of the abovementioned embodiments. Characteristics of the radiation detector are therefore also disclosed for the method described here and vice versa.
  • this comprises the steps:
  • the implantation of the dopant Furthermore, as seen parallel to the implantation direction or in plan view on the upper side of the semiconductor body, at least within the region covered by the active zone, a material forming the mask passes through it.
  • the implantation depth here is preferably a mean projected penetration depth into the semiconductor body or a depth in which a maximum concentration of the dopant results from the implantation.
  • the formation of the second electrode region and the formation of the active zone take place in the same method step.
  • Radiation entrance surface is as the second electrode region to be formed, by the ion implantation, which leads to the generation of the second electron region, reversed with respect to the polarity of the majority charge carriers.
  • the region in which the active region is generated is p-doped prior to implantation of the dopant and n-doped after implantation. The area of the active zone is thus re-doped by the implantation.
  • the semiconductor body has before forming the second Electrode region has a resistivity of at least 0.50 k ⁇ cm, in particular of at least 1.00 k ⁇ cm.
  • the semiconductor body is high-impedance before implantation.
  • the semiconductor body may be silicon which has a
  • the specific resistance of the semiconductor body after the generation of the second electrode region has a value of at least 0.05 k ⁇ cm at least in places.
  • the bonding may be a wafer bonding.
  • the dielectric compound layer is preferably formed by silicon dioxide.
  • the first electrode region is produced partially or completely by an epitaxial growth.
  • the mask is designed in such a way that it has flanks at the edge of the active zone which are oriented obliquely to the top side of the semiconductor body. In other words, the flanks of the mask are not aligned perpendicular to the top.
  • the second electrode region is formed by the implantation, a profile of the flanks of the mask is reproduced.
  • the second one Electrode area with respect to a height profile, in a direction perpendicular to the top of the semiconductor body a design that corresponds to the design of the mask. The implantation profile thus replicates the mask profile.
  • the mask is applied in such a way that the mask tapers at least in places as the distance from the top side of the semiconductor body increases.
  • a radiation detector as set forth in connection with one or more of the embodiments of the radiation detector described above is produced.
  • a radiation detector described here can be used, for example, as an avalanche photodiode.
  • radiation detectors described here in the so-called Geiger mode can be used as so-called photomultipliers.
  • photomultipliers For example, here are described
  • Radiation detectors can be used in medical devices.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a
  • Figure 2 is a schematic plan view of a
  • Figure 3 is a schematic plan view of a further embodiment of one described here
  • FIGS. 4 to 6 show schematic sectional representations of further exemplary embodiments of radiation detectors described here
  • Figure 7 is a schematic illustration of a
  • Figure 8 is a schematic sectional view of a detector unit.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a detector cell 1 of a radiation detector 100 is shown in a sectional view.
  • a second electrode region 5 is produced by ion implantation.
  • a first electrode region 3 At a radiation entrance surface 32 of the semiconductor body 2, which forms part of an upper side 30 of the semiconductor body, there is a first electrode region 3.
  • an active zone 4 is formed between a part 3a of the first electrode region 3 and The second electrode region 5 .
  • the active zone 4 is bounded by a rim 46 in a lateral direction.
  • the edge 46 represents a notional lateral boundary surface of the active zone 4.
  • a central region 40 is defined.
  • the active zone 4 covers the central area 40 in a plan view of the upper side 30.
  • an edge area 6 adjoins the central area 40 and completely surrounds the central area 40 in a lateral direction.
  • the second electrode region 5 is located closer to the upper side 30 of the semiconductor body 2 than in the edge regions 6.
  • the second electrode region 5 extends away from the upper side 30 of the semiconductor body 2.
  • deeper regions 3b of the first electrode region 3 reaching deeper into the semiconductor body 2 are formed.
  • a thickness of the active zone 4, in a direction perpendicular to the radiation entrance surface 32, is for example approximately 1.2 ⁇ m.
  • Top 5 in the edge regions 6 is for example about 1.8 microns.
  • a thickness of the second electrode region 5, in a direction perpendicular to the upper side 30, is in particular between, for example, about 300 nm and 500 nm.
  • the portion 3a of the first electrode portion 3 has an area of 60 ⁇ m by 60 ⁇ m or 120 ⁇ m by 120 ⁇ m.
  • a voltage is present which exceeds a breakdown voltage. If a photon enters the active zone 4 through the radiation entrance surface 32, and this photon generates a free electron in the active zone 4, free charge carriers are generated avalanche-like due to the applied voltage. Preferably, the charge carrier avalanche can be triggered by a single photon. A current generated by these charge carriers flows via an electrical line 18a, for example of aluminum, from the part 3a of the first electrode region 3 and arrives at an erosion resistance 9. The current flow causes a voltage drop at the erase resistance 9.
  • a total duration of the generation of the charge carriers is preferably at most 50 ns, in particular at most 1 ns. That is, approximately after the specified duration, the detector cell 1 is again ready for the detection of another photon.
  • the second electrode region 5 is n-doped and has a high dopant concentration, for example of the order of 10 18 per cm 3 . Between the second electrode region 5 and the upper side 30 there is an n-doped region 17. In the n-doped region 17, a dopant concentration is, for example, 10 15 to 10 16 per cm 3 , significantly lower than in the second electrode region 5.
  • the first electrode region 3 is p-doped and has a dopant concentration in the order of 10 19 per cm 3 to 10 20 per cm 3 .
  • the p-type dopants and n-type dopants may also be reversed in each case.
  • a voltage for example in the order of magnitude of 38 V, is applied in the reverse direction between the first electrode region 3 and the second electrode region 5.
  • the applied voltage is preferably 5% to 15% above the breakdown voltage.
  • a negative voltage is preferably applied to the first electrode region 3 and the second electrode region 5 is preferably grounded.
  • the semiconductor body 2 is only weakly doped with a dopant concentration in the order of, for example, 10 12 per cm 3 . That is, the semiconductor body 2 is in the bottom region 7 high impedance.
  • a specific resistance of the semiconductor body 2 in the bottom region 7 is, for example, at least 3 k ⁇ cm.
  • the erase resistance 9 at the top 30 is designed with polysilicon and is for example several 100 k ⁇ .
  • the soldering resistor 9 is preferably embedded in a cover layer 16, for example of silicon dioxide.
  • the cover layer 16 may, with the exception of
  • an antireflection layer 15 for example of silicon nitride, may be applied to the radiation entrance surface 32.
  • a thickness of the antireflection layer 15 is, for example, approximately 40 nm.
  • the antireflection layer 15 preferably serves as a mask when the cover layer 16 is applied.
  • a carrier 8 not explicitly shown in FIG. 1, which mechanically supports the semiconductor body 2.
  • a coating 13 is preferably applied to, on or above a trench wall 12 which delimits the semiconductor body 2 in a lateral direction. Via the coating 13, which may be formed by a metal, adjacent detector cells 1 of the radiation detector 100 may be optically isolated from each other.
  • the trench wall 12 has the top 30 at an angle CC of approximately 125 °.
  • the semiconductor body 2 and the active zone 4 in particular not by an epitaxial growth on the Example, a growth substrate are produced, the semiconductor body 2 has a high crystal quality. In other words, the semiconductor body 2 has a lower density of crystal defects than an epitaxially grown semiconductor layer.
  • Crystal quality is a dark current of the detector cell 1 reduced and thus a detection accuracy steigerbar.
  • FIG. 2 shows a plan view of one of the detector cells 1 of the radiation detector 100.
  • the detector cell 1 is designed according to FIG.
  • the first electrode region 3a, 3b has two mutually perpendicularly oriented main directions of extent Hl, H2.
  • a plane 35 is defined.
  • the plane 35 intersects the first electrode region 3a.
  • the radiation entrance surface 32 and / or the upper side 30 of the semiconductor body 2 constitutes a two-dimensional part of the plane 35, cf. FIG. 1.
  • the first electrode region 3a is rectangular or square.
  • the second electrode region 5 has a truncated pyramidal shape.
  • trenches IIa, IIb show one side of the first electrode region 3a.
  • the trenches IIa, IIb show one side of the first electrode region 3a.
  • Coatings 13 on the adjacent detector cells 1 are optically isolated from each other.
  • the coating 13 is, for example, a metal layer.
  • a signal line 19, the Connected to the erase resistor 9 via an electrical lead 18b extends along one of the sides of the first electrode region 3a.
  • FIG. 3 shows a top view of the radiation detector 100.
  • the radiation detector 100 comprises a multiplicity of the detector cells 1.
  • the detector cells 1 are arranged in the manner of a matrix. Each of the detector cells 1 is designed identically, for example according to FIG. 2.
  • All signal lines 19 of the detector cells 1 are led to an electrical connection region 50, which is designed, for example, as a bonding pad. Electrical lines 18c can be contacted via the electrical connection areas 31. Via the electrical leads 18c, the second electrode regions 5 can be laid to a defined electrical potential.
  • the individual detector cells 1 are preferably connected in parallel electrically. Signals of the individual detector cells 1 can preferably be cumulated and processed into a total signal. In particular, the number of detector cells 1 that provides a signal to a luminous flux on the radiation detector 100 may be approximately proportional to the luminous flux. For example, the total signal then returns how many individual detector cells 1 provide a signal. As a result, a strength of the luminous flux can be determined.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the invention
  • On the underside 70 of the semiconductor body 2 is a dielectric connection layer 80.
  • the semiconductor body 2 with a support 8 is firmly connected.
  • the semiconductor body 2 in particular has not grown epitaxially on the carrier 8 or the connection layer 80.
  • the carrier 8 mechanically supports the semiconductor body 2.
  • the connection layer 80 is electrically insulating, so that the semiconductor body 2 is not electrically conductively connected to the carrier 8.
  • a thickness of the bonding layer 8, in particular in a direction perpendicular to the plane 35, is preferably between 2 nm and 2.4 ⁇ m, in particular between 50 nm and 100 nm.
  • the semiconductor body 2 according to FIG. 4 may have a higher dopant concentration before the second electrode region 5 is produced, since an electrical backside insulation takes place via the connection layer 80 and not via a bottom region 7 of the semiconductor body 2, as in FIG. As a result, less expensive semiconductor materials can be used for the semiconductor body 2. Also, an interfering current flow from the lower side 70 of the semiconductor body 2 towards the second electrode region 5 can be suppressed via the connection layer 80.
  • the carrier 8 can be fastened via the connection layer 80 to the semiconductor body 2 via wafer bonding. It is also possible that the connection layer 80 is produced in the carrier 8 via, for example, an ion implantation.
  • the connection layer 80 is in this case in the
  • the semiconductor body 2 can then be produced epitaxially on one side of the carrier 8, under which the connection layer 80 is buried, for example.
  • the soldering resistor 9 is mounted on, on or above the trench wall 12 in the trench 11. In other words, the solder resistor 9 extends along the trench wall 12. This reduces a lateral space requirement of the solder resistor 9.
  • the radiation entrance surface 32 can thus assume a larger proportion of a surface of the upper side 30 of the semiconductor body 2. The top 30 is therefore more efficient for detection available, a proportion of
  • Radiation entrance surface 32 at the top 30 may be increased.
  • the angle OC between the trench wall 12 and the plane 35 or the top 30 is approximately 90 °.
  • the trench 11 is preferably completely filled with a material of a filling 38.
  • the material of the filling 38 is, for example, tungsten.
  • the trenches 12 of the detector cells 1 according to FIGS. 1, 4 and 5 are shaped in accordance with FIG.
  • the cover layer 16 At the top 30 of the trench 11 is completely covered by the cover layer 16. On a side of the cover layer 16 facing away from the upper side 30, the signal line 19 and / or the soldering resistor 9 can be applied. By means of such a configuration of the trenches 11, the surface portion of the radiation entrance surface 32 on the surface of the upper side 30 of the semiconductor body 2 can be further increased.
  • FIG. 7 schematically illustrates a method for producing the radiation detector 100 and / or the detector cell 1.
  • a material of the mask 14 is, for example, a scattering oxide, in particular silicon dioxide.
  • the scattering oxide or the mask 14 represents an additional material to be penetrated by a dopant to be implanted during an implantation. Since the total distance traveled by the dopant during implantation in a material is approximately constant, a mask structure of the mask 14 is reflected in one buried implantation profile in the semiconductor body 2 against.
  • the second electrode region 5 is produced, which is thus simulated to the mask structure or surface shape of the mask.
  • the doping takes place for example with phosphorus ions with an energy of about 3.5 MeV.
  • the ion implantation also simultaneously forms the active zone 4, since a weaker doping in the region 17 occurs between the second electrode region 5 and the upper side 30 as a result of the implantation.
  • a polarity of the majority charge carriers in the bottom region 7 and the region 17 can hereby be differently pronounced.
  • the region 17 can thus be re-doped compared to the bottom region 7.
  • the mask 14 is removed.
  • the first electrode region 3a, 3b is also formed, for example, by ion implantation or by epitaxy on the upper side 30 of the semiconductor body 2.
  • FIG. 8 shows a detector unit 200 not produced by such a method.
  • Detector unit 200 For the production of Detector unit 200 according to Figure 8 is epitaxially deposited on the support 8, a highly doped layer which forms a part 5a of the second electrode region. Subsequently, the low-doped region 17, which comprises the active zone 4, is epitaxially grown on this layer 5a. Due to the epitaxial growth of the electrode region 5a and the doped region 17, these have a comparatively high number of lattice defects. This can reduce a detection accuracy of the detector unit 200. In particular, a dark current in the active zone 4 can be increased by the lattice defects.
  • Another part 5b of the second electrode portion is formed by ion implantation, as well as the first electrode portion 3.
  • the second electrode region 5 For the production of the detector unit 200 according to FIG. 8, at least two epitaxy steps and at least two implantation steps are required. In particular, for forming the second electrode region 5, at least two epitaxy steps and a further ion implantation are required. In contrast to this, in a method described here, as illustrated in FIG. 7, the second electrode region 5 can be formed over a single implantation step, as a result of which a greater homogeneity of the active zone 4 can be achieved and thus a higher detection accuracy can be realized.
  • the invention includes any novel feature as well as any combination of features, which includes in particular any combination of features in the claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

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Abstract

In mindestens einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors (100) umfasst dieser zumindest eine Detektorzelle (1), wobei ein Halbleiterkörper (2) der Detektorzelle (1) einen ersten Elektrodenbereich (3) aufweist. Weiterhin umfasst der Halbleiterkörper (2) einen zweiten Elektrodenbereich (5) , der sich weiter von einer Oberseite (30) des Halbleiterkörpers (2) entfernt befindet als der erste Elektrodenbereich (3). Zwischen dem ersten Elektrodenbereich (3) und dem zweiten Elektrodenbereich (5) befindet sich eine aktive Zone (4), die zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist. In Draufsicht auf die Oberseite (30) des Halbleiterkörper (2) gesehen erstreckt sich, außerhalb der aktiven Zone (4) und/oder an einen Rand (46) der aktiven Zone (4) , der zweite Elektrodenbereich (5) weg von der Oberseite (30).

Description

Beschreibung
Strahlungsdetektor, Verwendung eines Strahlungsdetektors und Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektors
Es wird ein Strahlungsdetektor angegeben. Darüber hinaus wird eine Verwendung eines solchen Strahlungsdetektors angegeben. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektors angegeben.
Die Druckschrift EP 1 755 171 Al betrifft einen Siliziumbasierten Photomultiplier und einen Photodetektor.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Strahlungsdetektor anzugeben, der eine hohe Sensitivität aufweist. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Verwendung eines solchen Strahlungsdetektors anzugeben. Weiterhin besteht eine zu lösende Aufgabe darin, ein effizientes Verfahren zur Herstellung eines sensitiven Strahlungsdetektors anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist dieser dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Die zu detektierende Strahlung weist zum Beispiel Wellenlängen im Spektralbereich zwischen 200 nm und 3000 nm auf, insbesondere im Spektralbereich zwischen 300 nm und 800 nm. Bevorzugt ist der Strahlungsdetektor dazu eingerichtet, Wellenlängen im Bereich zwischen 380 nm und 450 nm zu detektieren. Weiterhin bevorzugt ist der Strahlungsdetektor dazu eingerichtet, einzelne Photonen der Strahlung zu detektieren. Der Strahlungsdetektor kann zum Betrieb als Photonenzähler geeignet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist dieser zumindest eine Detektorzelle auf. Die Detektorzelle ist hierbei eine Einheit, die dazu eingerichtet ist, ein Detektorsignal zu generieren. Insbesondere ist eine Detektorzelle eine separat betreibbare Einheit.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist die Detektorzelle einen Halbleiterkörper auf. Beispielsweise umfasst der Halbleiterkörper Silizium oder besteht aus Silizium. Alternativ oder zusätzlich kann der Halbleiterkörper auch andere Elementhalbleiter oder Verbindungshalbleiter, zum Beispiel Germanium oder GaAs, beinhalten oder aus solchen bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der Halbleiterkörper eine Strahlungseintrittsfläche auf. Bevorzugt stellt die Strahlungseintrittsfläche einen Teil einer Oberseite des Halbleiterkörpers dar. Die Oberseite ist hierbei einer Unterseite des Halbleiterkörpers abgewandt. Insbesondere ist die Strahlungseintrittsfläche planar oder eben gestaltet. Die Strahlungseintrittsfläche ist dazu eingerichtet, mindestens einen Teil einer vom Strahlungsdetektor zu detektierende Strahlung in den Halbleiterkörper eintreten zu lassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst der Halbleiterkörper der Detektorzelle einen ersten Elektrodenbereich. Insbesondere ist der erste Elektrodenbereich ein zusammenhängender Bereich. Bevorzugt ist der erste Elektrodenbereich ein flächig gestalteter
Bereich des Halbleiterkörpers. Der erste Elektrodenbereich kann planar gestaltet sein und sich an der Strahlungseintrittsfläche und/oder an der Oberseite des Halbleiterkörpers befinden. Der erste Elektrodenbereich weist, beispielsweise in einer Richtung senkrecht zur Strahlungseintrittsfläche, bevorzugt eine Dicke von weniger als 200 nm, insbesondere von weniger als 100 nm auf. Der erste Elektrodenbereich kann dotiert ausgeführt sein. Zum Beispiel ist der erste Elektrodenbereich durch Implantation von Ionen in den Halbleiterkörper erzeugt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der erste Elektrodenbereich teilweise oder vollständig epitaktisch gewachsen ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst der Halbleiterkörper einen zweiten Elektrodenbereich. Auch der zweite Elektrodenbereich bildet bevorzugt einen zusammenhängenden elektrisch leitenden Bereich aus. Zum Beispiel ist der zweite Elektrodenbereich durch Implantation und Dotierung mit Ionen erzeugt. Insbesondere befindet sich der zweite Elektrodenbereich weiter von einer Oberseite und/oder der Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterkörpers entfernt als der erste Elektrodenbereich. Mit anderen Worten kann ein Abstand der ersten Elektrodenbereichs zur Oberseite des Halbleiterkörpers kleiner sein als ein Abstand des zweiten Elektrodenbereichs zur Oberseite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der Halbleiterkörper der Detektorzelle eine aktive Zone auf. Die aktive Zone befindet sich hierbei zwischen dem ersten Elektrodenbereich und dem zweiten Elektrodenbereich. Weiterhin ist die aktive Zone bevorzugt zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet. Beispielsweise ist die aktive Zone eine so genannte Avalanchezone . Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist, in Draufsicht auf die Oberseite gesehen insbesondere außerhalb eines von der aktiven Zone überdeckten Bereichs oder an einem Rand der aktiven Zone, der zweite Elektrodenbereich von der Oberseite des Halbleiterkörpers weiter entfernt als innerhalb des von der aktiven Zone überdeckten Bereichs und/oder erstreckt sich von der Oberseite weg. Der Rand stellt hierbei insbesondere eine laterale Begrenzung der aktiven Zone dar. Beispielsweise ist der Rand eine fiktive Fläche, die die aktive Zone lateral umlaufend umgibt.
Zum Beispiel grenzen erster Elektrodenbereich oder zweiter Elektrodenbereich unmittelbar an die aktive Zone. In diesem Angrenzbereich weisen die Elektrodenbereiche bevorzugt einen konstanten Abstand zueinander auf. In einer lateralen Richtung neben der aktiven Zone erstreckt sich dann der zweite Elektrodenbereich, zumindest stellenweise, von der Oberseite weg und/oder weist in einer lateralen Richtung neben der aktiven Zone einen größeren Abstand zu dieser
Oberseite auf als in einem in Draufsicht auf die Oberseite von der aktiven Zone überdeckten Bereich.
In mindestens einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst dieser zumindest eine Detektorzelle, wobei ein Halbleiterkörper der Detektorzelle einen ersten Elektrodenbereich aufweist. Weiterhin umfasst der Halbleiterkörper einen zweiten Elektrodenbereich, der sich weiter von einer Oberseite des Halbleiterkörpers entfernt ist als der erste Elektrodenbereich. Zwischen dem ersten
Elektrodenbereich und dem zweiten Elektrodenbereich befindet sich eine aktive Zone, die zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist. In Draufsicht auf die Oberseite des Halbleiterkörper gesehen erstreckt sich, insbesondere außerhalb eines von der aktiven Zone überdeckten Bereichs und/oder an einem Rand der aktiven Zone, der zweite Elektrodenbereich weg von der Oberseite.
Über die sich von der Oberseite weg erstreckenden Teile der zweiten Elektrode ist eine definierte Gestaltung insbesondere der Ausdehnung der aktiven Zone ermöglicht. Beispielsweise sind in Randbereichen des ersten Elektrodenbereichs hin zum zweiten Elektrodenbereich Feldüberhöhungen eines elektrischen Feldes vermeidbar. Hierdurch ist eine hohe Detektionsgenauigkeit realisierbar.
Feldüberhöhungen entstehen zum Beispiel durch scharfe Kanten oder abrupte Begrenzungen von Elektroden. Durch die Feldüberhöhungen kann in einem Halbleiterkörper und insbesondere in oder in der Nähe einer aktiven Zone lokal eine elektrische Feldstärke so groß sein, dass auch ohne eine Absorption eines Photons ein Lawinendurchbruch resultieren kann. Solche Lawinendurchbrüche, welche nicht durch die Absorption eines der Photonen einer zu detektierenden Strahlung ausgelöst sind, erhöhen den Dunkelstrom des Strahlungsdetektors, wodurch die Detektionsgenauigkeit reduziert ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der erste Elektrodenbereich zwei Haupterstreckungsrichtungen auf. Die erste Haupterstreckungsrichtung ist insbesondere diejenige Richtung oder eine der Richtungen, entlang der der erste
Elektrodenbereich eine größte Ausdehnung aufweist. Die zweite Haupterstreckungsrichtung ist bevorzugt senkrecht zur ersten Haupterstreckungsrichtung orientiert. Mit anderen Worten bilden die beiden Haupterstreckungsrichtungen insbesondere zwei orthogonale Geraden. Im Falle eines ebenen, rechteckig geformten ersten Elektrodenbereichs zum Beispiel erstrecken sich die Haupterstreckungsrichtungen entlang zweier benachbarter Rechteckseiten.
Durch die zwei Haupterstreckungsrichtungen ist eine Ebene definiert, die den ersten Elektrodenbereich schneidet. Beispielsweise schneidet diese Ebene den ersten Elektrodenbereich in einer Zone des ersten
Elektrodenbereichs, die sich am nächsten an der Strahlungseintrittsfläche befindet und/oder die sich am weitesten von einer der Strahlungseintrittsfläche abgewandten Seite des Halbleiterkörpers entfernt befindet. Bevorzugt ist die Ebene parallel zur Oberseite des Halbleiterkörpers ausgerichtet, wobei die Oberseite einen zweidimensionalen Teilbereich der Ebene darstellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist die aktive Zone, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder zur Ebene, eine Dicke zwischen einschließlich 0,4 μm und 3 μm auf, bevorzugt zwischen einschließlich 0,7 μm und 1,8 μm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der Halbleiterkörper an einer dem ersten Elektrodenbereich abgewandten Unterseite einen Bodenbereich auf. In dem Bodenbereich beträgt, zumindest stellenweise, ein spezifischer Widerstand des Halbleiterkörpers mindestens 0,50 kΩcm. Insbesondere beträgt der spezifische Widerstand mindestens 1,00 kΩcm oder mindestens 3,00 kΩcm. Mit anderen Worten ist der Halbleiterkörper in dem Bodenbereich hochohmig ausgebildet . Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist an der Unterseite des Halbleiterkörpers ein Träger angebracht. Über den Träger kann der Halbleiterkörper mechanisch gestützt sein. Durch den Einsatz eines Trägers ist eine geringe Dicke des Halbleiterkörpers, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Ebene und/oder zur Oberseite des Halbleiterkörpers, realisierbar. Durch die geringe Dicke des Halbleiterkörpers ist beispielsweise ein Störstrom von einer dem ersten Elektrodenbereich abgewandten Rückseite des Halbleiterkörpers her reduzierbar, wodurch sich die Detektionsgenauigkeit erhöhen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist der Träger mechanisch mit dem Halbleiterkörper über eine dielektrische Verbindungsschicht verbunden. Die Verbindungsschicht kann eine Bondschicht, zum Beispiel eine Siliziumdioxidbondschicht, sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst dieser eine Mehrzahl von insbesondere gleichartigen Detektorzellen. Beispielsweise beinhaltet der Strahlungsdetektor mindestens 16 Detektorzellen, bevorzugt mindestens 64 Detektorzellen. Bevorzugt sind die Detektorzellen einander benachbart. Benachbart kann bedeuten, dass in einer lateralen Richtung die Detektorzellen aneinander grenzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist zwischen zumindest zwei der benachbarten Detektorzellen mindestens ein Graben ausgebildet. Der Graben erstreckt sich hierbei bevorzugt von der Oberseite des Halbleiterkörpers hin zur Unterseite des Halbleiterkörpers. Es ist nicht erforderlich, dass der Graben den Halbleiterkörper hin zur Unterseite vollständig durchdringt, jedoch ist dies möglich. Der mindestens eine Graben weist weiterhin wenigstens eine Grabenwand auf. Die Grabenwand bildet insbesondere eine Grenzfläche des Halbleiterkörpers hin zu dem Graben. Der Graben kann vollständig oder zum Teil mit einem oder mit mehreren verschiedenen Feststoffen befüllt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors schließt die Grabenwand mit der Oberseite des
Halbleiterkörpers einen Winkel zwischen einschließlich 75° und 130° ein, insbesondere zwischen einschließlich 85° und 105°. Beispielsweise ist mindestens eine der Grabenwände oder sind alle Grabenwände senkrecht zu der Oberseite des Halbleiterkörpers ausgerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors sind die Detektorzellen matrixartig angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors sind alle Detektorzellen gleichartig ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst die Detektorzelle oder umfasst mindestens eine der Detektorzellen oder umfassen alle Detektorzellen wenigstens einen Löschwiderstand. Der Löschwiderstand ist hierbei bevorzugt mit dem jeweiligen ersten Elektrodenbereich oder dem jeweiligen zweiten Elektrodenbereich der betreffenden Detektorzelle elektrisch leitend verbunden. Elektrisch leitend verbunden kann hierbei bedeuten, dass zwischen dem Löschwiderstand und dem ersten Elektrodenbereich kein signifikanter elektrischer Widerstand vorliegt, insbesondere wenn kein Lawinendurchbruch erfolgt. Beispielsweise beträgt der Widerstand einer Verbindungsleitung zwischen dem ersten Elektrodenbereich und dem Löschwiderstand höchstens 1 % eines Wertes des Löschwiderstandes. Bevorzugt ist der Widerstand der Verbindungsleitung ein ohmscher Widerstand.
Der Löschwiderstand kann auch als Quench Resistor bezeichnet werden. Beispielsweise ist der Löschwiderstand aus Polysilizium gefertigt. Insbesondere weist der Löschwiderstand einen Widerstand von mindestens 100 kΩ auf. Bevorzugt beträgt der Löschwiderstand zwischen einschließlich 300 kΩ und 2 MΩ .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors erstreckt sich der Löschwiderstand in oder über den Graben. Weist der Strahlungsdetektor mehrere Detektorzellen auf, so erstreckt sich mindestens einer der Löschwiderstände, bevorzugt alle Löschwiderstände, teilweise oder vollständig in oder über den Graben. Beispielsweise erstreckt sich wenigstens der Löschwiderstand oder einer der Löschwiderstände entlang der Grabenwand oder entlang mindestens einer der Grabenwände. Hierdurch ist die verfügbare Fläche für die Strahlungseintrittsfläche durch den Löschwiderstand mit Vorteil nicht oder nicht maßgeblich verringert .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Strahlungsdetektors, bei dem dieser mehrere Detektorzellen aufweist, sind zumindest zwei der benachbarten Detektorzellen optisch voneinander getrennt. Beispielsweise werden in der aktiven Zone aus einem zu detektierenden Photon über den
Lawineneffekt 105 bis 106 Lawinenelektronen erzeugt. Etwa pro 105 erzeugter Lawinenelektroden kann im Mittel ein sekundäres Photon entstehen. Das sekundäre Photon kann in einer benachbarten Detektorzelle ein zusätzliches, nicht erwünschtes Fehlsignal generieren. Sind die Detektorzellen optisch voneinander getrennt, so sind derartige Fehlsignale unterdrückbar .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors sind benachbarte Detektorzellen durch eine Beschichtung auf wenigstens einer der Grabenwände optisch voneinander getrennt. Die Beschichtung kann reflektierend und/oder absorbierend bezüglich der sekundären Photonen wirken.
Beispielsweise ist die Beschichtung durch eine metallische Beschichtung realisiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors sind benachbarte Detektorzellen durch eine Füllung des
Grabens voneinander optisch isoliert. Beispielsweise ist die Füllung durch ein Metall gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors, bei dem dieser mehrere Detektorzellen aufweist, ist der mindestens eine zweite Elektrodenbereich durch eine, insbesondere durch Ionenimplantation erzeugte, Dotierzone im Halbleiterkörper gestaltet, die Erhebungen aufweist, die beispielsweise kappenartig gestaltet sind. Jeder der aktiven Zonen ist hierbei bevorzugt eine der Erhebungen der Dotierzone zugeordnet.
Beispielsweise ist die Dotierzone bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit von der Umgebung abgegrenzt, so dass eine elektrische Leitfähigkeit der Dotierzone eine elektrische Leitfähigkeit der Umgebung insbesondere um mindestens einen Faktor 5, bevorzugt um mindestens einen Faktor 50, speziell um mindestens einen Faktor 100, übersteigt. Eine Dotierstoffkonzentration der Dotierzone ist bevorzugt um mindestens einen Faktor 5, insbesondere um einschließlich einen Faktor 5 bis einen Faktor 1000, gegenüber der Umgebung erhöht. Zum Beispiel beträgt die Dotierstoffkonzentration der Dotierzone zumindest stellenweise wenigstens 1017 pro cm3.
Kappenartige Erhebungen kann bedeuten, dass die Dotierzone ähnlich einem Eierkarton gestaltet ist. Beispielsweise ist ein Teilbereich der Dotierzone eben ausgestaltet und parallel zur Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder zur durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene ausgerichtet. Ausgehend von diesem Teilbereich der Dotierzone erstrecken sich die Erhebungen der Dotierzone dann hin zur durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene und/oder hin zur Oberseite. Die Erhebungen sind beispielsweise pyramidenstumpfartig oder kegelstumpfartig geformt. Ein zu dem Teilbereich der Dotierzone paralleler Teil der Erhebungen, der sich näher als der Teilbereich an der Oberseite und/oder an der durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene befindet, grenzt bevorzugt an die aktive Zone .
Zum Beispiel weist die Dotierzone, durch die der mindestens eine zweite Elektrodenbereich gebildet ist, eine gleichmäßige Dicke auf. Bevorzugt ist dann die Dicke über den gesamten Strahlungsdetektor hinweg gleichmäßig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist der zweite Elektrodenbereich außerhalb der aktiven Zone zumindest stellenweise parallel zur Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder zu der durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene orientiert. Die den zweiten Elektrodenbereich bildende Dotierzone ist zwischen zumindest zwei der benachbarten Detektorzellen bevorzugt eine durchgehende Zone. Insbesondere ist die Dotierzone eine über den gesamten Strahlungsdetektor hinweg durchgehende Zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors beträgt ein Anteil einer Fläche des ersten Elektrodenbereichs an einer Gesamtfläche des Strahlungsdetektors, in Draufsicht auf die Oberseite des Halbleiterkörper gesehen, mindestens 25 %, bevorzugt mindestens 30 %, insbesondere mindestens 45 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der erste Elektrodenbereich in Draufsicht auf die Oberseite am Rand der aktiven Zone einen Bereich auf, der sich tiefer in den Halbleiterkörper erstreckt als ein Bereich innerhalb eines von der aktiven Zone überdeckten Gebiets. Mit anderen Worten erstreckt sich der erste Elektrodenbereich an dem Rand von der Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder von der Ebene weg. Der erste Elektrodenbereich kann am Rand der aktiven Zone eine wannenartige Gestaltung aufweisen. Bevorzugt umläuft der sich tiefer in den Halbleiterkörper ersteckende Bereich des ersten Elektrodenbereichs die aktive Zone vollständig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der sich tiefer in den Halbleiterkörper erstreckende Bereich des ersten Elektrodenbereichs einen größeren Abstand zum zweiten Elektrodenbereich auf als der Bereich des ersten Elektrodenbereichs, der sich innerhalb des von der aktiven Zone überdeckten Gebiets befindet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors durchdringt der erste Elektrodenbereich den Halbleiterkörper, in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und/oder zur Ebene, nicht. Der erste Elektrodenbereich reicht also nicht bis zur Unterseite des Halbleiterkörpers oder bis zum zweiten Elektrodenbereich.
Darüber hinaus wird eine Verwendung eines Strahlungsdetektors angegeben. Die Verwendung kann sich beispielsweise auf einen Strahlungsdetektor beziehen, wie er in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben ist.
In mindestens einer Ausführungsform der Verwendung des Strahlungsdetektors wird dieser mit einer elektrischen Spannung betrieben, die gleich oder größer einer Durchbruchspannung der Detektorzelle ist. Die Spannung liegt hierbei zwischen dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten Elektrodenbereich an.
Durchbruchspannung kann hierbei bedeuten, dass an dem ersten Elektrodenbereich und an dem zweiten Elektrodenbereich eine Spannung in Sperrrichtung anliegt. Die Durchbruchspannung entspricht der Spannung, bei der ohne eine äußere Störung, etwa durch Absorption eines Photons, gerade noch kein signifikanter Stromfluss vom ersten Elektrodenbereich zum zweiten Elektrodenbereich, oder umgekehrt, erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Verwendung beträgt die elektrische Spannung mindestens ein 1,05-faches und bevorzugt höchstens ein 1,15-faches der Durchbruchspannung. Beispielsweise liegt die Durchbruchspannung zwischen einschließlich 20 V und 100 V, insbesondere zwischen einschließlich 30 V und 40 V.
Weiterhin wird darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektors angegeben. Beispielsweise kann mittels des Verfahrens ein Strahlungsdetektor hergestellt werden, wie er in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben ist. Merkmale des Strahlungsdetektors sind daher auch für das hier beschriebene Verfahren offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses die Schritte:
- Bereitstellen eines Halbleiterkörpers für den Strahlungsdetektor,
- Ausbilden einer strukturierten Maske auf einer Oberseite des Halbleiterkörpers,
- Ausbilden mindestens eines zweiten Elektrodenbereichs im Halbleiterkörper durch Implantation zumindest eines Dotierstoffes,
- Ausbilden mindestens eines ersten Elektrodenbereichs des Halbleiterkörpers, wobei mindestens eine aktive Zone zwischen dem mindestens einen zweiten Elektrodenbereich und dem mindestens einen ersten Elektrodenbereich gebildet wird, und - Fertigstellen des Strahlungsdetektors, wobei, parallel zu einer Implantationsrichtung oder in Draufsicht auf die Oberseite des Halbleiterkörpers gesehen, außerhalb eines von der aktiven Zone überdeckten Bereichs und/oder an einem Rand des von der aktiven Zone überdeckten Bereichs eine Implantationstiefe größer ist als, parallel zur Implantationsrichtung oder in Draufsicht auf die Oberseite des Halbleiterkörpers gesehen, innerhalb des von der aktiven Zone überdeckten Bereichs. Die Implantation des Dotierstoffs erfolgt weiterhin, parallel zur Implantationsrichtung oder in Draufsicht auf die Oberseite des Halbleiterkörpers gesehen, zumindest innerhalb des von der aktiven Zone überdeckten Bereichs durch ein die Maske bildendes Material hindurch.
Die angegebenen Schritte des Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Jedoch ist auch eine von der angegebenen Auflistung abweichende Reihenfolge der Verfahrensschritte möglich. Ebenso ist es möglich, dass zwei oder mehrere Schritte zu einem einzigen Schritt zusammenfassbar sind.
Die Implantationstiefe ist hierbei bevorzugt eine mittlere projizierte Eindringtiefe in den Halbleiterkörper oder eine Tiefe, in der eine maximale Konzentration des Dotierstoffes durch die Implantation resultiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Ausbilden des zweiten Elektrodenbereichs und das Ausbilden der aktiven Zone im selben Verfahrensschritt. Beispielsweise wird hierbei ein Bereich des Halbleiterkörpers, der sich näher an der
Strahlungseintrittsfläche befindet als der zu bildende zweite Elektrodenbereich, durch die Ionenimplantation, die zur Erzeugung des zweiten Elektronenbereichs führt, bezüglich der Polarität der Majoritätsladungsträger umgekehrt. Zum Beispiel ist der Bereich, in dem die aktive Zone erzeugt wird, vor der Implantation des Dotierstoffs p-dotiert und nach der Implantation n-dotiert. Der Bereich der aktiven Zone wird also durch die Implantation umdotiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Halbleiterkörper vor dem Ausbilden des zweiten Elektrodenbereichs einen spezifischen Widerstand von mindestens 0,50 kΩcm auf, insbesondere von mindestens 1,00 kΩcm. Mit anderen Worten ist der Halbleiterkörper vor der Implantation hochohmig. Bei dem Halbleiterkörper kann es sich um Silizium handeln, das vor der Implantation eine
Dotierstoffkonzentration von höchstens 1013 pro cm3 aufweist, insbesondere von höchstens 3 x 1012 pro cm3.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers nach dem Erzeugen des zweiten Elektrodenbereichs zumindest stellenweise einen Wert von mindestens 0,05 kΩcm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird an einer der Oberseite abgewandten Unterseite des
Halbleiterkörpers über ein Bonden mit einer dielektrischen Verbindungsschicht ein Träger angebracht. Bei dem Bonden kann es sich um ein Waferbonden handeln. Die dielektrische Verbindungsschicht ist bevorzugt durch Siliziumdioxid gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Elektrodenbereich teilweise oder vollständig durch ein epitaktisches Wachsen hergestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Maske derart ausgebildet, dass diese am Rand der aktiven Zone Flanken aufweist, die schräg zur Oberseite des Halbleiterkörpers orientiert sind. Mit anderen Worten sind die Flanken der Maske nicht senkrecht zur Oberseite ausgerichtet. Beim Ausbilden des zweiten Elektrodenbereichs durch die Implantation wird ein Verlauf der Flanken der Maske nachgebildet. Mit anderen Worten weist der zweite Elektrodenbereich bezüglich eines Höhenprofils, in einer Richtung senkrecht zur Oberseite des Halbleiterkörpers, eine Gestaltung auf, die der Gestaltung der Maske entspricht. Das Implantationsprofil bildet also das Maskenprofil nach.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Maske so aufgebracht, dass sich die Maske mit zunehmendem Abstand von der Oberseite des Halbleiterkörpers zumindest stellenweise verjüngt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Strahlungsdetektor hergestellt, wie er in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausführungsformen des Strahlungsdetektors angegeben ist.
Ein hier beschriebener Strahlungsdetektor kann beispielsweise als Lawinenphotodiode eingesetzt werden. Insbesondere können hier beschriebene Strahlungsdetektoren im so genannten Geiger-Modus als so genannte Photomultiplier verwendet werden. Zum Beispiel sind hier beschriebene
Strahlungsdetektoren in medizinischen Geräten einsetzbar.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener Strahlungsdetektor sowie ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch nicht unbedingt maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Strahlungsdetektors,
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf ein
Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Detektorzelle,
Figur 3 eine schematische Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen
Strahlungsdetektors mit einer Mehrzahl von Detektorzellen,
Figuren 4 bis 6 schematische Schnittdarstellungen von weiteren Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Strahlungsdetektoren,
Figur 7 eine schematische Illustration eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines hier beschriebenen
Strahlungsdetektors, und
Figur 8 eine schematische Schnittdarstellung einer Detektoreinheit .
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Detektorzelle 1 eines Strahlungsdetektors 100 in einer Schnittdarstellung gezeigt. In einem Halbleiterkörper 2 ist ein zweiter Elektrodenbereich 5 über Ionenimplantation erzeugt. An einer Strahlungseintrittsfläche 32 des Halbleiterkörpers 2, die einen Teil einer Oberseite 30 des Halbleiterkörpers darstellt, befindet sich ein erster Elektrodenbereich 3. Zwischen einem Teil 3a des ersten Elektrodenbereichs 3 und dem zweiten Elektrodenbereich 5 ist eine aktive Zone 4 gebildet. Die aktive Zone 4 ist in einer lateralen Richtung von einem Rand 46 begrenzt. Beispielsweise stellt der Rand 46 eine fiktive laterale Begrenzungsfläche der aktiven Zone 4 dar .
Durch die aktive Zone 4 ist, in einer Richtung senkrecht zur Strahlungseintrittsfläche 32, ein Zentralbereich 40 definiert. Mit anderen Worten überdeckt die aktive Zone 4 in Draufsicht auf die Oberseite 30 den Zentralbereich 40. In einer lateralen Richtung schließt sich an den Zentralbereich 40 ein Randbereich 6 an, der den Zentralbereich 40 vollständig in einer lateralen Richtung umgibt. In dem Zentralbereich 40 befindet sich der zweite Elektrodenbereich 5 näher an der Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 als in den Randbereichen 6. In einem Übergangsbereich zwischen dem Zentralbereich 40 und den Randbereichen 6 erstreckt sich der zweite Elektrodenbereich 5 von der Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 weg. In diesem Übergangsbereich zwischen dem Zentralbereich 40 und den Randbereichen 6 sind, von der Oberseite 30 her gesehen, tiefer in den Halbleiterkörper 2 reichende Gebiete 3b des ersten Elektrodenbereichs 3 geformt. Durch den Teil 3b des ersten Elektrodenbereichs 3 und die sich von der Oberseite 30 wegerstreckenden Teile des zweiten Elektrodenbereichs 5 werden insbesondere elektrische
Feldüberhöhungen in diesem Übergangsbereich vermieden.
Eine Dicke der aktiven Zone 4, in einer Richtung senkrecht zur Strahlungseintrittsfläche 32 beträgt beispielsweise zirka 1,2 μm. Ein Abstand des zweiten Elektrodenbereichs 5 zur
Oberseite 5 in den Randbereichen 6 beträgt zum Beispiel zirka 1,8 μm. Eine Dicke des zweiten Elektrodenbereichs 5, in einer Richtung senkrecht zur Oberseite 30, liegt insbesondere zwischen einschließlich zirka 300 nm und 500 nm. Zum Beispiel weist der Teil 3a des ersten Elektrodenbereichs 3 eine Fläche von 60 μm mal 60 μm oder 120 μm mal 120 μm auf.
Zwischen dem ersten Elektrodenbereich 3 und dem zweiten Elektrodenbereich 5 liegt eine Spannung an, die eine Durchbruchspannung übersteigt. Tritt ein Photon durch die Strahlungseintrittsfläche 32 in die aktive Zone 4 ein, und erzeugt dieses Photon in der aktiven Zone 4 ein freies Elektron, so werden aufgrund der angelegten Spannung lawinenartig freie Ladungsträger erzeugt. Bevorzugt kann die Ladungsträgerlawine durch ein einziges Photon ausgelöst werden. Ein durch diese Ladungsträger generierter Strom fließt über eine elektrische Leitung 18a, etwa aus Aluminium, von dem Teil 3a des ersten Elektrodenbereichs 3 ab und gelangt zu einem Löschwiderstand 9. Durch den Stromfluss kommt es an dem Löschwiderstand 9 zu einem Spannungsabfall. Durch den Spannungsabfall wird die zwischen dem Teil 3a des ersten Elektrodenbereichs 3 und dem zweiten Elektrodenbereich 5 anliegende Spannung unter die Durchbruchspannung abgesenkt und die lawinenartige Erzeugung von Ladungsträgern kommt zum Erliegen. Eine Dauer der Erzeugung der Ladungsträger beträgt insgesamt bevorzugt höchstens 50 ns, insbesondere höchstens 1 ns . Das heißt, zirka nach der angegebenen Dauer ist die Detektorzelle 1 erneut zur Detektion eines weiteren Photons bereit .
Der zweite Elektrodenbereich 5 ist n-dotiert und weist eine hohe Dotierstoffkonzentration zum Beispiel in der Größenordnung von 1018 pro cm3 auf. Zwischen dem zweiten Elektrodenbereich 5 und der Oberseite 30 liegt ein n- dotierter Bereich 17 vor. In dem n-dotierten Bereich 17 ist eine Dotierstoffkonzentration zum Beispiel mit 1015 bis 1016 pro cm3, deutlich geringer als in dem zweiten Elektrodenbereich 5. Der erste Elektrodenbereich 3 ist p- dotiert und weist eine Dotierstoffkonzentration in der Größenordnung von 1019 pro cm3 bis 1020 pro cm3 auf. Die p- Dotierungen und n-Dotierungen können auch jeweils umgekehrt vorliegen .
Im Betrieb des Strahlungsdetektors 100 liegt in Sperrrichtung eine Spannung beispielsweise in der Größenordnung von 38 V zwischen dem ersten Elektrodenbereich 3 und dem zweiten Elektrodenbereich 5 an. Die angelegte Spannung liegt bevorzugt 5 % bis 15 % über der Durchbruchspannung. Im Falle eines n-dotierten zweiten Elektrodenbereichs 5 und eines p- dotierten ersten Elektrodenbereichs 3 liegt an dem ersten Elektrodenbereich 3 bevorzugt eine negative Spannung an und der zweite Elektrodenbereich 5 ist bevorzugt geerdet.
An einer der Oberseite 30 abgewandten Unterseite 70 des Halbleiterkörpers 2 befindet sich optional ein Bodenbereich 7 des Halbleiterkörpers 2. In diesem Bodenbereich 7 ist der Halbleiterkörper 2 nur schwach dotiert mit einer Dotierstoffkonzentration in der Größenordnung von beispielsweise 1012 pro cm3. Das heißt, der Halbleiterkörper 2 ist im Bodenbereich 7 hochohmig. Ein spezifischer Widerstand des Halbleiterkörpers 2 in dem Bodenbereich 7 beträgt beispielsweise mindestens 3 kΩcm. Hierdurch ist eine Ladungsträgerlebensdauer in dem hochohmigen Bodenbereich 7, im Vergleich zu einem niederohmigeren Halbleitermaterial mit einer herkömmlichen Dotierstoffkonzentration, besonders groß. Daher eignet sich der Bodenbereich 7 insbesondere als
Sperrschicht und als Rückseitenisolation der Detektorzelle 1. Der Löschwiderstand 9 an der Oberseite 30 ist mit Polysilizium gestaltet und beträgt zum Beispiel mehrere 100 kΩ . Der Löschwiderstand 9 ist bevorzugt in eine Deckschicht 16, beispielsweise aus Siliziumdioxid, eingebettet. Die Deckschicht 16 kann, mit Ausnahme der
Strahlungseintrittsfläche 32, die gesamte Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 bedecken. Eine Dicke der Deckschicht 16, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Oberseite 30, liegt insbesondere im Bereich zwischen einschließlich 100 nm und 300 nm.
Optional kann an der Strahlungseintrittsfläche 32 eine Antireflexionsschicht 15, zum Beispiel aus Siliziumnitrid, aufgebracht sein. Eine Dicke der Antireflexionsschicht 15 beträgt zum Beispiel zirka 40 nm. Bevorzugt dient die Antireflexionsschicht 15 als Maske beim Auftragen der Deckschicht 16.
Ebenso ist es optional möglich, an der Unterseite 70 des Halbleiterkörpers 2 einen, in Figur 1 nicht explizit dargestellten Träger 8 anzubringen, der den Halbleiterkörper 2 mechanisch stützt.
Bevorzugt ist weiterhin auf, an oder über einer Grabenwand 12, die den Halbleiterkörper 2 in einer lateralen Richtung begrenzt, eine Beschichtung 13 aufgebracht. Über die Beschichtung 13, die durch ein Metall gebildet sein kann, können benachbarte Detektorzellen 1 des Strahlungsdetektors 100 optisch voneinander isoliert sein. Die Grabenwand 12 weist zur Oberseite 30 einen Winkel CC von zirka 125° auf.
Dadurch, dass der Halbleiterkörper 2 und die aktive Zone 4 insbesondere nicht durch ein epitaktisches Wachsen auf zum Beispiel einem Wachstumssubstrat erzeugt sind, weist der Halbleiterkörper 2 eine hohe Kristallqualität auf. Mit anderen Worten weist der Halbleiterkörper 2 eine geringere Dichte an Kristallstörstellen auf als eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschicht. Durch die höhere
Kristallqualität ist ein Dunkelstrom der Detektorzelle 1 reduzierbar und somit eine Detektionsgenauigkeit steigerbar.
In Figur 2 ist eine Draufsicht auf eine der Detektorzellen 1 des Strahlungsdetektors 100 dargestellt. Beispielsweise ist die Detektorzelle 1 gemäß Figur 1 gestaltet. In Draufsicht auf den Halbleiterkörper 2 weist der erste Elektrodenbereich 3a, 3b zwei zueinander senkrecht orientierte Haupterstreckungsrichtungen Hl, H2 auf. Über diese Haupterstreckungsrichtungen Hl, H2 ist eine Ebene 35 definiert. Die Ebene 35 schneidet den ersten Elektrodenbereich 3a. Insbesondere stellt die Strahlungseintrittsfläche 32 und/oder die Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 einen zweidimensionalen Teil der Ebene 35 dar, vergleiche Figur 1.
In Draufsicht auf den Halbleiterkörper 2 ist der erste Elektrodenbereich 3a rechteckig oder quadratisch gestaltet. In dem Zentralbereich 40 und in dem Übergangsbereich zwischen dem Zentralbereich 40 und den Randbereichen 6 weist der zweite Elektrodenbereich 5 eine pyramidenstumpfartige Formgebung auf.
Entlang aller vier Seiten des ersten Elektrodenbereichs 3a befinden sich Gräben IIa, IIb. Die Gräben IIa, IIb weisen
Beschichtungen 13 auf, über die benachbarte Detektorzellen 1 optisch voneinander isoliert sind. Die Beschichtung 13 ist zum Beispiel eine Metallschicht. Eine Signalleitung 19, die über eine elektrische Leitung 18b mit dem Löschwiderstand 9 verbunden ist, verläuft entlang einer der Seiten des ersten Elektrodenbereichs 3a.
In Figur 3 ist eine Draufsicht auf den Strahlungsdetektor 100 zu sehen. Der Strahlungsdetektor 100 umfasst eine Vielzahl der Detektorzellen 1. Die Detektorzellen 1 sind matrixartig angeordnet. Jede der Detektorzellen 1 ist identisch gestaltet, etwa gemäß Figur 2.
Alle Signalleitungen 19 der Detektorzellen 1 sind zu einem elektrischen Anschlussbereich 50 geführt, der beispielsweise als Bondpad gestaltet ist. Elektrische Leitungen 18c sind über die elektrischen Anschlussbereiche 31 kontaktierbar . Über die elektrischen Leitungen 18c sind die zweiten Elektrodenbereiche 5 auf ein definiertes elektrisches Potenzial legbar.
Die einzelnen Detektorzellen 1 sind bevorzugt elektrisch parallel geschaltet. Signale der einzelnen Detektorzellen 1 können bevorzugt kumuliert und zu einem Gesamtsignal verarbeitet werden. Insbesondere kann die Anzahl an Detektorzellen 1, die auf einen Lichtstrom auf den Strahlungsdetektor 100 ein Signal liefert, näherungsweise proportional zu dem Lichtstrom sein. Das Gesamtsignal gibt dann zum Beispiel wieder, wie viele einzelne Detektorzellen 1 ein Signal liefern. Hierdurch ist eine Stärke des Lichtstroms bestimmbar .
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Detektorzelle 1 oder des Strahlungsdetektors 100 dargestellt. An der Unterseite 70 des Halbleiterkörpers 2 befindet sich eine dielektrische Verbindungsschicht 80. Über diese Verbindungsschicht 80 ist der Halbleiterkörper 2 mit einem Träger 8 fest verbunden. Der Halbleiterkörper 2 ist hierbei insbesondere nicht epitaktisch auf dem Träger 8 oder der Verbindungsschicht 80 gewachsen.
Der Träger 8 stützt den Halbleiterkörper 2 mechanisch. Die Verbindungsschicht 80 ist elektrisch isolierend, so dass der Halbleiterkörper 2 mit dem Träger 8 nicht elektrisch leitend verbunden ist. Eine Dicke der Verbindungsschicht 8, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Ebene 35, beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 2 nm und 2,4 μm, insbesondere zwischen einschließlich 50 nm und 100 nm.
Anders als im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 kann der Halbleiterkörper 2 gemäß Figur 4 vor dem Erzeugen des zweiten Elektrodenbereichs 5 eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweisen, da eine elektrische Rückseitenisolation über die Verbindungsschicht 80 erfolgt und nicht über einen Bodenbereich 7 des Halbleiterkörpers 2 wie etwa gemäß Figur 1. Hierdurch können kostengünstigere Halbleitermaterialien für den Halbleiterkörper 2 eingesetzt werden. Auch kann über die Verbindungsschicht 80 ein störender Stromfluss von der Unterseite 70 des Halbleiterkörpers 2 hin zum zweiten Elektrodenbereich 5 unterdrückt werden.
Der Träger 8 kann hierbei über die Verbindungsschicht 80 mit dem Halbleiterkörper 2 über ein Waferbonden befestigt sein. Ebenso ist es möglich, dass die Verbindungsschicht 80 über beispielsweise eine Ionenimplantation in dem Träger 8 erzeugt ist. Die Verbindungsschicht 80 ist in diesem Fall in dem
Träger 8 vergraben. Der Halbleiterkörper 2 kann dann an einer Seite des Trägers 8, unter der die Verbindungsschicht 80 vergraben ist, zum Beispiel epitaktisch erzeugt sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist der Löschwiderstand 9 auf, an oder über der Grabenwand 12 in dem Graben 11 angebracht. Mit anderen Worten erstreckt sich der Löschwiderstand 9 entlang der Grabenwand 12. Hierdurch verringert sich ein lateraler Platzbedarf des Löschwiderstands 9. Die Strahlungseintrittsfläche 32 kann somit einen größeren Anteil an einer Fläche der Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 einnehmen. Die Oberseite 30 ist also effizienter zur Detektion nutzbar, ein Anteil der
Strahlungseintrittsfläche 32 an der Oberseite 30 kann vergrößert sein.
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit der Gräben 12 ist in Figur 6 illustriert. Der Winkel OC zwischen der Grabenwand 12 und der Ebene 35 beziehungsweise der Oberseite 30 beträgt zirka 90°. Der Graben 11 ist mit einem Material einer Füllung 38 bevorzugt vollständig gefüllt. Bei dem Material der Füllung 38 handelt es sich beispielsweise um Wolfram. Beispielsweise sind die Gräben 12 der Detektorzellen 1 gemäß den Figuren 1, 4 und 5 gemäß Figur 7 ausgeformt.
An der Oberseite 30 ist der Graben 11 vollständig von der Deckschicht 16 abgedeckt. An einer der Oberseite 30 abgewandten Seite der Deckschicht 16 kann die Signalleitung 19 und/oder der Löschwiderstand 9 aufgebracht sein. Durch eine solche Ausgestaltung der Gräben 11 lässt sich der Flächenanteil der Strahlungseintrittsfläche 32 an der Fläche der Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 weiter vergrößert.
In Figur 7 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung des Strahlungsdetektors 100 und/oder der Detektorzelle 1 illustriert. Auf der Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 wird eine Maske 14 aufgebracht. Ein Material der Maske 14 ist beispielsweise ein Streuoxid, insbesondere Siliziumdioxid. Das Streuoxid beziehungsweise die Maske 14 stellt ein zusätzliches, von einem zu implantierenden Dotierstoff bei einer Implantation zu durchdringendes Material dar. Da die Gesamtstrecke, die der Dotierstoff bei der Implantation in einem Material zurücklegt näherungsweise konstant ist, spiegelt sich eine Maskenstruktur der Maske 14 in einem vergrabenen Implantationsprofil im Halbleiterkörper 2 wider.
Durch die Implantation mit dem Dotierstoff durch die Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2, symbolisiert durch Pfeile, wird der zweite Elektrodenbereich 5 erzeugt, der also der Maskenstruktur oder Oberflächenform der Maske nachgebildet wird. Die Dotierung erfolgt beispielsweise mit Phosphorionen mit einer Energie von zirka 3,5 MeV. Durch die Ionenimplantation erfolgt auch gleichzeitig ein Ausbilden der aktiven Zone 4, da zwischen dem zweiten Elektrodenbereich 5 und der Oberseite 30 durch die Implantation eine schwächer ausgeprägte Dotierung im Bereich 17 erfolgt. Eine Polarität der Majoritätsladungsträger in dem Bodenbereich 7 und dem Bereich 17 kann hierdurch unterschiedlich ausgeprägt sein. Der Bereich 17 kann also im Vergleich zum Bodenbereich 7 umdotiert sein.
In einem nachfolgenden, nicht dargestelltem Verfahrensschritt wird die Maske 14 entfernt. Anschließend wird der erste Elektrodenbereich 3a, 3b beispielsweise auch durch Ionenimplantation oder durch Epitaxie an der Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 ausgebildet.
In Figur 8 ist eine nicht mit einem solchen Verfahren hergestellte Detektoreinheit 200 gezeigt. Zur Herstellung der Detektoreinheit 200 gemäß Figur 8 wird auf dem Träger 8 eine hoch dotierte Schicht epitaktisch abgeschieden, die einen Teil 5a des zweiten Elektrodenbereichs ausbildet. Anschließend wird auf dieser Schicht 5a der niedrig dotierte Bereich 17, der die aktive Zone 4 umfasst, epitaktisch gewachsen. Durch das epitaktische Wachsen des Elektrodenbereichs 5a und des dotierten Bereichs 17 weisen diese eine vergleichsweise hohe Anzahl von Gitterfehlern auf. Dies kann eine Detektionsgenauigkeit der Detektoreinheit 200 vermindern. Insbesondere kann ein Dunkelstrom in der aktiven Zone 4 durch die Gitterfehler erhöht sein.
Ein weiterer Teil 5b des zweiten Elektrodenbereichs ist durch Ionenimplantation erzeugt, ebenso wie der erste Elektrodenbereich 3.
Zur Herstellung der Detektoreinheit 200 gemäß Figur 8 sind also mindestens zwei Epitaxieschritte sowie mindestens zwei Implantationsschritte erforderlich. Insbesondere zum Ausbilden des zweiten Elektrodenbereichs 5 sind mindestens zwei Epitaxieschritte und eine weitere Ionenimplantation erforderlich. Im Gegensatz hierzu kann bei einem hier beschriebenen Verfahren, etwa wie in Figur 7 illustriert, der zweite Elektrodenbereich 5 über einen einzigen Implantationsschritt ausgebildet werden, wodurch eine größere Homogenität der aktiven Zone 4 erzielbar ist und somit eine höhere Detektionsgenauigkeit realisiert werden kann.
Die hier beschriebene 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 .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 10 2008 058 492.4 und 10 2009 017 505.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungsdetektor (100) mit zumindest einer
Detektorzelle (1), wobei ein Halbleiterkörper (2) der Detektorzelle (1)
- einen ersten Elektrodenbereich (3) umfasst,
- einen zweiten Elektrodenbereich (5) umfasst, der weiter von einer einer Unterseite (70) des Halbleiterkörpers (2) abgewandten Oberseite (3) des Halbleiterkörpers (2) entfernt ist als der erste Elektrodenbereich (3) , und
- eine aktive Zone (4) umfasst, die sich zwischen dem ersten Elektrodenbereich (3) und dem zweiten Elektrodenbereich (5) befindet und die zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist, wobei sich der zweite Elektrodenbereich (5) von der Oberseite (30) des Halbleiterkörpers (2) und von einem Rand (46) der aktiven Zone (4) weg erstreckt.
2. Strahlungsdetektor (100) nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterkörper (2) an der dem ersten Elektrodenbereich (3) abgewandten Unterseite (70) einen Bodenbereich (7) aufweist, wobei in dem Bodenbereich (7) ein spezifischer Widerstand des Halbleiterkörpers (2) wenigstens stellenweise 0,50 kΩcm übersteigt.
3. Strahlungsdetektor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an der Unterseite (70) des Halbleiterkörpers (2) ein Träger (8) angebracht ist, wobei eine mechanische Verbindung zwischen dem Halbleiterkörper (2) und dem Träger (8) über eine dielektrische Verbindungsschicht (80) hergestellt ist.
4. Strahlungsdetektor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Detektorzelle (1) wenigstens einen Löschwiderstand (9) umfasst, wobei der Löschwiderstand (9) mit dem ersten Elektrodenbereich (3) oder mit dem zweiten Elektrodenbereich (5) elektrisch leitend verbunden ist.
5. Strahlungsdetektor (100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (2) in einer lateralen
Richtung von mindestens einem Graben (11) mit zumindest einer Grabenwand (12) begrenzt ist.
6. Strahlungsdetektor (100) nach den Ansprüchen 4 und 5, bei dem sich der Löschwiderstand (9) zumindest teilweise in oder über den Graben (11) erstreckt.
7. Strahlungsdetektor (100) nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Grabenwand (12) mit der Oberseite (30) des Halbleiterkörpers (2) einen Winkel (OC) zwischen einschließlich 75° und 105° einschließt.
8. Strahlungsdetektor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zweite Elektrodenbereich (5), in Draufsicht auf die Oberseite (30), außerhalb eines von der aktiven Zone (4) überdeckten Bereichs zumindest stellenweise parallel zur Oberseite (30) des Halbleiterkörpers (2) ausgerichtet ist.
9. Strahlungsdetektor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich der erste Elektrodenbereich (3) im Halbleiterkörper (2) am Rand (46) der aktiven Zone (4) von der Oberseite (30) des Halbleiterkörpers (2) weg erstreckt, wobei der erste Elektrodenbereich (3) den Halbleiterkörper (2) in einer Richtung senkrecht zur Oberseite (30) nicht vollständig durchdringt.
10. Strahlungsdetektor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Mehrzahl von benachbarten Detektorzellen (1) umfasst .
11. Strahlungsdetektor (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem zumindest eine, mindestens einen der zweiten Elektrodenbereiche (5) bildende Dotierzone mit Erhebungen gestaltet ist, wobei jeder der aktiven Zonen (4) eine der Erhebungen der Dotierzone zugeordnet ist.
12. Strahlungsdetektor (100) nach dem Anspruch 11, bei dem die den zweiten Elektrodenbereich (5) bildende Dotierzone zwischen zumindest zwei der benachbarten Detektorzellen (1) eine durchgehende Zone ist.
13. Strahlungsdetektor (100) nach Anspruch 5, 6 oder 7 und nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem zumindest zwei der benachbarten Detektorzellen (1) durch eine Beschichtung (13) auf der Grabenwand (12) optisch voneinander getrennt sind, wobei die Beschichtung (13) für Sekundärphotonen aufgrund der Lawinenmultiplikation undurchlässig ist.
14. Verwendung eines Strahlungsdetektors (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Betrieb mit einer elektrischen Spannung, anliegend zwischen dem mindestens einen ersten Elektrodenbereich (3) und dem mindestens einen zweiten Elektrodenbereich (5) , wobei die Spannung gleich oder größer einer Durchbruchspannung der Detektorzelle (1) ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektors (100) mit den Schritten:
- Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (2) für den Strahlungsdetektor (100),
- Ausbilden einer strukturierten Maske (14) auf einer Oberseite (30) des Halbleiterkörpers (2),
- Ausbilden eines zweiten Elektrodenbereichs (5) im Halbleiterkörper (2) durch Implantation zumindest eines Dotierstoffes,
- Ausbilden eines ersten Elektrodenbereichs (3) des Halbleiterkörpers (2), wobei sich der erste
Elektrodenbereich (3) näher an einer Oberseite (30) des Halbleiterkörpers (2) befindet als der zweite Elektrodenbereich (5), wobei eine aktive Zone (4) zwischen dem zweiten Elektrodenbereich (5) und dem ersten Elektrodenbereich (3) gebildet ist, und
- Fertigstellen des Strahlungsdetektors (100), wobei, in Draufsicht auf die Oberseite (30) gesehen, außerhalb eines von der aktiven Zone (4) überdeckten Bereichs oder an einem Rand (46) der aktiven Zone (4) eine Implantationstiefe größer ist als innerhalb des von der aktiven Zone (4) überdeckten Bereichs, und wobei, in Draufsicht auf die Oberseite (30) gesehen, zumindest innerhalb des von der aktiven Zone (4) überdeckten Bereichs die Implantation durch ein die Maske (14) bildendes Material hindurch erfolgt.
16. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Halbleiterkörper (2) vor dem Ausbilden des zweiten Elektrodenbereichs (5) einen spezifischen Widerstand von mindestens 0,50 kΩcm aufweist und nach dem Ausbilden des zweiten Elektrodenbereichs (5) der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers (2) zumindest stellenweise höchstens 0,05 kΩcm beträgt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei an einer der Oberseite (30) abgewandten Unterseite (70) des Halbleiterkörpers (2) über ein Bonden mit einer dielektrischen Verbindungsschicht (80) ein Träger (8) angebracht wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der erste Elektrodenbereich (3) wenigstens zum Teil epitaktisch gewachsen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei mit dem Ausbilden des zweiten Elektrodenbereichs (5) eine Dotierung der aktiven Zone (4) erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Maske (14) derart ausgebildet wird, dass an einem Rand der aktiven Zone (4) die Maske (14) schräg zur Oberseite (30) des Halbleiterkörpers (2) verlaufende Flanken (19) aufweist, und wobei bei der Implantation des zweiten Elektrodenbereichs (5) ein Verlauf der Flanken (19) der Maske (14) nachgebildet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die Maske (14) so aufgebracht wird, dass sich die Maske (14) mit zunehmendem Abstand von der Oberseite (3CT des Halbleiterkörpers (2) zumindest stellenweise verjüngt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei ein Strahlungsdetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt wird.
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