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DE3425309A1 - Strahlungsempfindliche halbleiteranordnung - Google Patents

Strahlungsempfindliche halbleiteranordnung

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DE3425309A1
DE3425309A1 DE19843425309 DE3425309A DE3425309A1 DE 3425309 A1 DE3425309 A1 DE 3425309A1 DE 19843425309 DE19843425309 DE 19843425309 DE 3425309 A DE3425309 A DE 3425309A DE 3425309 A1 DE3425309 A1 DE 3425309A1
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Description

PHN 10 726 y .30.6.1984
- !δε trahlungs empfindliche Halbleiteranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens eine strahlungsempfindliche Diode mit mindestens einem pn-Ubergang zwischen einem ersten Halbleitergebiet eines ersten Leitungstyps und einer schichtförmigen Halbleiterzone von einem zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitungstyp enthält, mit einer derartigen Dicke und Dotierungskonzentration, dass die schichtförmige Zone in dem Betriebszustand über nahezu die ganze Dicke und Oberfläche verarmt ist.
Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnungen der obengenannten Art werden u.a. zum unmittelbaren Umwandeln elektromagnetischer Strahlung verwendet, namentlich sichtbaren Lichtes und IR-Strahlung in einen elektrischen Strom bzw. eine elektrische Spannung. Derartige Photodioden werden beispielsweise in der elektrooptischen Kommunikationstechnik verwendet. Auch werden derartige Halbleiteranordnungen in medizinischen Geräten, wie in einem Röntgenabtaster, der mit einem Szintillator aus beispielsweise Zäsiumjodid versehen ist, der die Röntgenstrahlung in Strahlung umwandelt, für die die Photodiode insbesondere empfindlich ist. Ausserdem werden derartige Anordnungen zum Detektieren von Teilchenstrahlung, wie beispielsweise Elektronenstrahl!*^, benutzt.
Ein Problem bei derartigen Strahlungsdetektoren ist oft die grosse Kapazität des genannten pn-Uberganges. Eine derartige grosse Kapazität beeinträchtigt das HF-Verhalten eines derartigen Strahlungsdetektors und verursacht ausserdem, namentlich bei einem schwachen Signal
3^ (d.h. bei einer geringen Strahlungsintensität), ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis.
Diese Kapazität wird meistens u.a. durch die Grosse der Oberfläche eines Diffusionsgebietes (meistens
PHN 10 726 / 30.6.1984
Ή-
ein p-leitendes Diffusionsgebiet in einem n-leitenden Halbleiterkörper) bestimmt. Die betreffende Oberfläche ■wird jedoch vorzugsweise möglichst gross gewählt um eine möglichst hohe Strahlungsempfindlichkeit des Detektors und damit einen möglichst grossen Photostrom zu erhalten. Um die damit einhergehende hohe Kapazität teilweise auszuschalten kann die Oberfläche des Diffusionsgebietes dadurch etwas verkleinert werden, dass dieses Gebiet beispielsweise eine Fingerstruktur erhält.
Eine Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art ist aus der Japanischen Kokai Nr. 53-136987 bekannt.
Die Kapazität des darin dargestellten strahlungsempfindlichen pn-Uberganges wird dadurch wesentlich verringert, dass im Betriebszustand die schichtförmige HaIbleiterzone vom zweiten Leitungstyp völlig verarmt ist.
In einer derartigen Anordnung können, namentlich wenn die Anschlusskontakte des Gebietes vom ersten sowie des Gebietes vom zweiten Leitungstyp sich auf der Seite der eintreffenden Strahlung befinden, Probleme auftreten. Die Kontaktmetallisierungen, also auch diejenigen der schichtförmigen Zone, werden nämlich vorzugsweise möglichst klein gehalten um eine möglichst grosse wirksame Oberfläche des Strahlungsdetektors zu erhalten. Die in der verarmten schichtförmigen Zone durch Strahlung erzeugten Minoritätsladungsträger müssen den Anschlusskontakt durch Diffusion erreichen, was die Geschwindigkeit der strahlungsempfindlichen Halbleiteranordnung beeinträchtigt. Namentlich im medizinischen Bereich ist es von Bedeutung, dass diese Geschwindigkeit hoch genug ist, da sie auch die Belichtungszeit bei Röntgenaufnahmen bestimmt und damit die Strahlungsdosis, der der Patient ausgesetzt wird.
Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Anordnung zu schaffen, in der diese Nachteile zum grossen Teil ausgeschaltet sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dies u.a. dadurch erreicht werden kann, dass für die schichtförmige Zone eine besondere Geomterie gewählt wird.
Eine Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art
PHN 10 726 3~ 30.6.1984
weist dazu das Kennzeichen auf, dass die schichtförmige Halbleiterzone in Draufsicht eine Anzahl Teilzonen aufweist, die von einem gemeinsamen Anschlussgebiet her betrachtet, in der Breite abnehmen. Dabei enthält die schichtförmige Halbleiterzone vorzugsweise einen zentralen Teil, von dem aus sich die Teilzonen als herausragende Teile erstrecken.
Damit wird erreicht, dass wenn der pn-Ubergang zwischen der schichtförmigen Zone und dem ersten Halbleitergebiet in der Umkehrrichtung vorgespannt wird, ein derartiger Verlauf des Potentialabfalles in den herausragenden Teilen auftritt, dass dadurch ein elektrisches Feld erzeugt wird, das die Minoritätsladungsträger in der Richtung des zentralen Teils beschleunigt, wo sie abgeführt werden.
Durch diese Massnahme ist der Transport der Minoritätsladungsträger wesentlich beschleunigt und es wird schneller ein zuverlässiges Signal erhalten; bei Anwendung für Röntgenaufnahmen wird dadurch die Aufnahmezeit bzw. die Strahlungsdosis verringert.
Der Effekt eines beschleunigenden elektrischen Feldes kann auch auf völlig andere Art und Weise erhalten werden und zwar dadurch, dass man die schichtförmige Zone allmählich in ihrer Dicke abnehmen lässt.
Eine andere erfindungsgemässe Halbleiteranordnung weist dazu das Kennzeichen auf, dass die schichtförmige Halbleiterzone, von einem Anschlussgebiet für die schichtförmige Zone gesehen her betrachtet, in ihrer Dicke abnimmt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Tatsache, dass die herausragenden Teile nahezu völlig verarmt sind, die Kapazität des pn-Uberganges wesentlich verringert ist. Dadurch weist eine derartige Halbleiteranordnung ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis auf.
Die schichtförmige Zone ist in Draufsicht vorzugsweise sternförmig, wobei die herausragenden Teile die
Zacken eines sechs- oder achtzackigen Sterns bilden. Im Bereich der Computerröntgentomographie enthält nur eine Diode meistens eine Matrix derartiger Teildioden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der
PHN 10 726 4 30.6.1984
- C'
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemässen strahlungsempfindlichen Diode, Fig. 2 einen schematischen Schnitt gemäss der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 2 Fig. k eine schematische Darstellung des Potentialverlaufes und der zugeordneten elektrischen Felder in einem Teil einer Diode nach den Fig. 1, 2,
Fig. 5 einen Teil einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung, die mehrere Dioden aufweist,
Fig. 6 einen Schnitt gemäss der Linie VI-VI in Fig. 5,
Fig. 7 eine schematische Draufsicht eines Teils einer Scheibe, in der die Anordnung nach den Fig. 5» 6 hergestellt ist.
Die Figuren sind schematisch und nicht massgerecht, wobei deutlichkeitshalber in den Schnitten insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung stark übertrieben sind. Halbleiterzonen von demselben Leitungstyp sind im allgemeinen in derselben Richtung schraffiert; in den Figuren sind entsprechende Teile meistens mit denselben Bezugszeichen angegeben.
Die Anordnung 1 aus den Fig. 1, 2, enthält einen Halbleiterkörper 2 mit in diesem Beispiel einem n-leitenden Oberflächengebiet 4 mit einem Flächenwiderstand von 10 Ohm. cm,
1 k
entsprechend einer Donatorkonzentration von etwa 5·10 Atomen/cm'. An der Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers befindet sich eine p-leitende schichtförmige Oberflächenzone 5» 6, die mit dem η-leitenden Gebiet k einen pn-Ubergang 7 bildet. Die mittlere Dotierung der Halbleiterzone 5» 6 beträgt 2.10 -10 Akzeptoratome/cm3, während die Dicke etwa 1yum beträgt. Dies bedeutet, dass die Zone 5> 6 bei einer geringen Spannung an dem pn-Ubergang 7 in der Umkehrrichtung völlig verarmt ist.
Nach der Erfindung enthält die Halbleiterzone 5»6 in Draufsicht (siehe Fig. i) mehrere herausragende Teile 6,
PHN 10 726 ■§- 30.6.1984
die von der Mitte nach, aussen in der Breite abnehmen, beispielsweise von 5/um zu 2yum über einen Abstand von 50/um. In dem betreffenden Fall ist dies dadurch erreicht worden, dass die betreffende Zone die Form eines sechszackigen Sterns erhalten hat. In dem zentralen Teil 5 ist eine ρ Zone 8 vorgesehen, für Kontaktierung der Zone 5 ι 6. Zur Kontaktierung des η-leitenden Oberflächengebietes k ist die sternförmige ρ -Zone in dem betreffenden Beispiel von einer η -Kontaktdiffusion 9 umgeben. Die Oberfläche 3 ist mit einer Isolierschicht 10 bedeckt, worin Kontaktlöcher 11 und 12 vorgesehen sind, über die die ρ -Zone 8 und die η -Kontaktdiffusion 9 mit den Metallisierungsmustern 13» 1^· kontaktiert werden.
Dadurch, dass die p-leitende Zone 5» 6 in dem Betriebszustand über nahezu die ganze Dicke und Oberfläche verarmt ist, ist die zugeordnete Verarmungskapazität nahezu vernachlässigbar, was für die Anordnung nach den Fig. 1 und 2 ein sehr günstiges Signal-Rausch-Verhältnis bedeutet. Die Halbleiterzone 5, 6 kann beispielsweise durch Ionenimplantation angebracht werden und braucht auch nicht unbedingterweise an der Oberfläche zu liegen, wie dies in der Anordnung nach Fig. 3 dargestellt ist, die weiterhin der nach Fig. 2 entspricht mit Ausnahme der Oberflächenschicht 15 vom η -Typ. Eine derartige hochdotierte Oberflächenschicht erzeugt ein elektrisches Feld, wodurch Minoritätsladungsträger (in diesem Fall Löcher) zu dem unten liegenden η-leitenden Gebiet k beschleunigt werden. Dadurch wird bekanntlich die Gefahr vor Oberflächenrekombination verringert, was die Empfindlichkeit der strahlungsempfindlichen Halbleiteranordnung erhöht.
Wie obenstehend erwähnt, sind die herausragenden Teile 6 im Betriebszustand völlig verarmt. Obschon dies bei einer geeigneten Dotierung bereits bei 0 V erreicht werden kann, wird dies im allgemeinen dadurch erreicht,
^5 dass der pn-Ubergang 7 in Umkehrrichtung vorgespannt wird. In Fig. k ist ein derartiger Teil 6 auf schematische Weise mit der zugeordneten Verarmungszone 16 dargestellt. Der Potentialverlauf durch die Umkehrspannung an dem pn-Uber-
PHN 10 726 & 30.6.1984
-ff "
gang 7 ist durch strichpunktierte Linien 17 dargestellt. Mit der von den Enden zu der Mitte hin zunehmenden Breite der Teile 6 wird der zugehörige Spannungsabfall an dem pn-Ubergang 7 immer grosser, was zu einem elektrischen Feld führt, das in Fig. 4 auf schematische Weise mit Hilfe des Pfeiles 18 dargestellt ist. Dieses Feld hat auf die Elektronen, die den Teil 6 erreichen, einen beschleunigenden Einfluss in Richtung des zentralen Teils 5.
Elektronen, die in dem η-leitenden Gebiet 4 erzeugt werden, werden nun sobald sie die Verarmung sz one, die zu dem pn-Ubergang 7 gehört, erreichen, durch die Umkehrspannung an diesem pn-Ubergang zu einem der herausragenden Teile 6 oder zu dem zentralen Teil 15 beschleunigt. Wenn diese Elektronen einen der herausragenden Teile 6 erreichen, werden sie durch die besondere Form dieser Teile 6 zu dem zentralen Teil 15 beschleunigt. Auf diese Weise werden die durch Strahlung erzeugten Elektronen schnell und auf wirksame Weise zu der Kontaktmetallisierung 13 abgeführt.
Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Teil einer erfindungsgemässen Halbleiteranordnung, die sich zum Gebrauch in einem Röntgenabtastgerät eignet. Die aufzuzeichnende Röntgenstrahlung wird in diesem Beispiel mit Hilfe eines Szintillators 19 aus beispielsweise Zäsiumjodid zu Strahlung umgewandelt, für die die Anordnung 1 besonders empfindlich ist. Die Anordnung 1 enthält mehrere Dioden, die ihrerseits wieder aus einer Anzahl von Teildioden 20 zusammengesetzt sind, die im allgemeinen eine sternförmige Geometrie aufweisen und zwar auf dieselbe Art und Weise wie obenstehend an Hand der Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde. Zum Abführen des Gesamtsignals von den Teildioden 20 nur einer Diode enthält die Anordnung ein Metallisierungsmuster 21 mit u.a. einer Anschlussfläche (bonding pad) 22. Jede der Dioden ist von einem p-leitenden Gebiet 23 umgeben, das untenstehend noch näher beschrieben wird. Die Umkehrspannung an dem "^ pn-Ubei'gang 7 der Teildioden 20 wird zwischen den p-leitenden Gebieten 5, b, 8, die über das Kontaktloch 11 mit Hilfe des Metallisierungsmusters 21 kontaktiert werden und ein Kontakt 24 auf die Unterseite der Anordnung angelegt.
PHN 10 726 Y 30.6.1984
Zwecks einer guten Kontaktierung befindet sich zwischen diesem Kontakt 2k und der η-leitenden Schicht k eine hochdotierte η-leitende Kontaktzone 25.
Mit Hilfe der Anschlussfläche 26, die über 'das Metallisierungsmuster 27 und das Kontaktlock 28 das p-leitende Gebiet 23 kontaktiert, kann der pn-Ubergang 29 zwischen diesem p-leitenden Gebiet 23 und dem η-leitenden Gebiet k ebenfalls in der Umkehrrichtung vorgespannt werden und zwar derart, dass das zugeordnete Verarmungsgebiet sich bis an die Verarmungsgebiete des benachbarten pn-Uberganges7 der Teildioden 20 erstreckt. Auf diese Weise werden Randeffekte vermieden, wie diese in der DE-OS 31 2k 238 der Anmelderin beschrieben werden.
Im wesentlichen würde nur eine Anschlussfläche für alle Dioden in einer derartigen Anordnung, die beispielsweise 2k derartiger Dioden enthält, ausreichen, da das mittels des Metallisierungsmusters 26, 27 kontaktierte ρ -Gebiet alle Dioden umgibt. Dadurch, dass jede der Dioden einen einzelnen Anschluss hat, kann jedoch eine erhöhte Ausbeute bei der Herstellung erreicht werden. Dies wird an Hand der Fig. 7 näher beschrieben.
Fig. 7 zeigt in Draufsicht einen Teil einer Scheibe, worin sich zwischen zwei η-leitenden Ritzbahnen 30, beispielsweise 72 Dioden, wie diese an Hand der Fig. 5 und beschrieben wurden, befinden. Wenn zum Gebrauch in Röntgengeräten Anordnungen mit Reihen von 2k Dioden erforderlich sind, könnte es ausreichen, beispielsweise die erste, die fünfundzwanzigste und die neunundvierzigste Diode mit einem Kontaktloch 28 und mit Kontaktmetallisierungen 26, 27 zu versehen. Damit würden dann die umgebenden Gebiete 23 der Dioden 1 bis 2k bzw. 25 bis k8 und k$ bis 72 angeschlossen werden, mit den obengenannten Vorteilen in bezug auf Ausschaltung von Randeffekten.
In der Praxis können bei der Herstellung weniger gute oder sogar defekte Dioden entstehen. Wenn nun jede der Dioden eine derartige Kontaktmetallisierung 26, 27 erhält, können dennoch eine oder mehrere Anordnungen aus einer Reihe mit schlecht funktionierenden oder defekten
PHN 10 726 β 30.6.1984
'/er-
Dioden erhalten werden, wenn in nur einer Reihe 24 gut arbeitende Dioden nebeneinander vorhanden sind.
Wenn beispielsweise in einer Reihe die dritte Diode (Bezugszeichen 31 in Fig. 7) defekt ist, während die vierte bis zu der siebenundzwanzigsten Diode nicht defekt sind, kann mindestens eine einwandfrei funktionierende Anordnung mit HiIiTe der Kratzer 36 und 37 zwischen der dritten Diode und der vierten Diode 32 bzw, der siebenundzwanzigsten Diode 33 und der achtundzwanzigsten Diode 34 erhalten werden. In den zur rechten Seite des Kratzers 37 liegenden 45 Dioden können nun auch wieder einige Dioden defekt sein, beispielsweise die neunundzwanzigste Diode (Bezugszeichen 35) oder eine Anzahl Dioden nach der zweiundfünfzigsten Diode. Auf diese Weise werden zwei gute Anordnungen erhalten während bei nur einer Kontakttnetaiiisierung 26, 27 je 24 Dioden keine oder höchstens nur eine gute Anordnung erhalten werden würde. Die Möglichkeit mehr gute Anordnungen je Reihe zu erhalten kann noch etwas dadurch vergrössert werden, dass die Anzahl Dioden je Reihe etwas grosser gewählt wird als 3 χ 24, beispielsweise 80, zumal derartige schlecht funktionierende Dioden sich meistens an dem Rand des Kristalls befinden.
Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf die obenstehend dargestellten Beispiele sondern sind für den Fachmann im Rahmen der Erfindung mehrere Abwandlungen möglich. So können die Leitungstypen aller Halbleitergebiete und -zonen (gleichzeitig) umgekehrt werden. Ausserdem können für die Zonen 5» 6 abweichende Dicken und Dotierungen gewählt werden, während auch die Form der herausragenden feile 6 anders gewählt werden kann. So können die Teilzonen 6 in den Fig. 1 bis 3 sich auch von einer Anzahl Kontaktzonen aus erstrecken, die sich beispielsweise in den Ecken des Quadrates 4o befinden, auf ähnliche Weise wie in Fig. 5 können manche Teildioden 20 sich in den Ecken des Gefüges aus Teildioden befinden.
Ausserdem kann statt der Breite auch die Dicke der halbleitenden Zonen 6 allmählich abnehmen, was zu demselben Effekt führt und zwar zu einem beschleunigenden
PHN 10 726 gr 30.6.1984
r -Μ-
Feld in dieser Zone. Eine derartige Halbleiterzone braucht dabei nicht unbedingt in Teilzonen aufgeteilt zu sein und kann in Fig. 1 praktisch die ganze Oberfläche des Quadrates ko bestreichen. Eine derartige Zone mit abnehmender Dicke kann beispielsweise durch Ionenimplantation durch eine Maske mit zunehmender Dicke hindurch erhalten werden.

Claims (1)

  1. PHN 10 726 \4 30.6.198^+
    PATENTANSPRÜCHE
    (i.) Strahlungsempfindlich^ Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens eine strahlungsempfindliche Diode aufweist mit mindestens einem pn-Ubergang zwischen einem ersten Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp und einer schichtförmigen Halbleiterzone vom zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitungstyp mit einer derartigen Dicke und Dotierungskonzentration, dass die schichtförmige Halbleiterzone in dem Gebrauchszustand über nahezu die ganze Dicke und Oberfläche verarmt ist,
    ^ dadurch gekennzeichnet, dass die schichtförmige Halbleiterzone in Draufsicht eine Anzahl von Teilzonen aufweist, die in Richtung von einem gemeinsamen Anschlussgebiet her gesehen in der Breite abnehmen.
    2. Strahlungsempfindlicher Halbleiterkörper mit einem Halbleiterkörper, der mindestens eine strahlungsempfindliche Diode aufweist mit mindestens einem pn-Ubergang zwischen einem ersten Halbleitergebiet von einem ersten Leitungstyp und einer schichtförmigen Halbleiterzone von einem zweiten dem ersten entgegengesetzten Lei-
    LU tungstyp mit einer derartigen Dicke und Dotierungskonzentration, dass die schichtförmige Halbleiterzone im Betriebszustand über nahezu die ganze Dicke und den Oberflächenteil verarmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die schichtförmige Halbleiterzone wenigstens eine Teilzone enthält,
    " die in der Richtung von einem Anschlussgebiet für die schichtförmige Zone her gesehen in ihrer Dicke abnimmt.
    3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schichtförmige Halbleiterzone einen Zentralteil aufweist, von dem aus sich die
    Teilzonen wie herausragende Teile erstrecken. ^. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung an der Stelle des zentralen Teils ein Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp aufweist
    PHN 10 726 χ\ 30.6.1984
    -A-
    das stärker dotiert ist als die schichtfÖrinige Halbleiterzone.
    5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Länge einer Teilzone mindestens 5 und höchstens 25 mal der maximalen Breite beträgt, b. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass die schichtförmige Halbleiterzone in Draufsicht nahezu sternförmig ist. 7· Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine strahlungsempfindliche Diode mehrere pn-Ubergänge aufweist, die mit gemeinsamen Kontaktmetallisierungen versehen sind und zusammen die strahlungsempfindliche Diode bilden.
    8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere strahlungsempfindliche Dioden aufweist und jede der strahlungsempfindlichen Dioden von einem Gebiet vom zweiten Leitungstyp umgeben ist.
    9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass von jeder strahlungsempfindlichen Diode das umgebende Gebiet vom zweiten Leitungstyp mit einem einzelnen Kontaktanschluss versehen ist.
DE3425309A 1983-07-14 1984-07-10 Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung Expired - Fee Related DE3425309C2 (de)

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DE3425309C2 DE3425309C2 (de) 1994-02-10

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JP (2) JPS6126539A (de)
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