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Avalanche-Strahlungsdetektor - Dokument DE102004022948B4
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004022948B4 01.06.2006
Titel Avalanche-Strahlungsdetektor
Anmelder Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 80539 München, DE
Erfinder Lutz, Gerhard, Dr., 81739 München, DE;
Richter, Rainer H., Dipl.-Ing., 81243 München, DE;
Strüder, Lothar, Prof. Dr., 80803 München, DE
Vertreter v. Bezold & Sozien, 80799 München
DE-Anmeldedatum 10.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004022948
Offenlegungstag 15.12.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.06.2006
IPC-Hauptklasse H01L 31/118(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01J 5/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Avalanche-Strahlungsdetektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Strahlungsdetektor ist beispielsweise aus Curt Rint: "Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker", 12. Auflage, Hüthig und Pflaum Verlag München/Heidelberg, Seite 478 bekannt. Hierbei befindet sich in einem planaren Halbleitersubstrat auf einer Seite ein Avalanche-Bereich und ein Strahlungseintrittsfenster für die zu detektierende Strahlung, die in dem Halbleitersubstrat freie Ladungsträger erzeugt. Die von der zu detektierenden Strahlung erzeugten freien Ladungsträger werden in dem Avalanche-Bereich durch das dortige elektrische Feld beschleunigt und erzeugen lawinenartig neue Ladungsträger, was als Stromfluss detektierbar ist. Die elektrische Feldstärke in dem Avalanche-Bereich wird hierbei durch eine Steuerelektrode eingestellt, die auf der dem Avalanche-Bereich gegenüber liegenden Seite des Avalanche-Strahlungsdetektors angeordnet ist.

Nachteilig an dieser Anordnung der Steuerelektrode ist die Tatsache, dass mit zunehmender Dicke des Avalanche-Strahlungsdetektors und einer entsprechenden Vergrößerung des Abstandes zwischen der Steuerelektrode und dem gegenüberliegenden Avalanche-Bereich auch entsprechende große Steuerspannungen eingesetzt werden müssen, um die elektrische Feldstärke in dem Avalanche-Bereich auf den gewünschten Wert einzustellen.

Eine genaue Einstellung der elektrischen Feldstärke in dem Avalanche-Bereich ist jedoch wichtig, da bei einer zu geringen Feldstärke in dem Avalanche-Bereich die Empfindlichkeit leidet, wohingegen das Rauschen mit der elektrischen Feldstärke in dem Avalanche-Bereich zunimmt, da auch stochastisch generierte Ladungsträger zu einer Lawinenbildung führen können.

Die maximale Dicke des bekannten Avalanche-Strahlungsdetektors ist also durch die maximal zulässige Steuerspannung an der Steuerelektrode begrenzt. Zur Erreichung einer möglichst großen Empfindlichkeit ist es jedoch wünschenswert, dass der Avalanche-Strahlungsdetektor einen möglichst großvolumigen photosensitiven Bereich aufweist, was jedoch aufgrund der vorstehend erwähnten Dickenbeschränkung nur begrenzt möglich ist. Eine Ausdehnung des photosensitiven Bereichs in lateraler Richtung ist dagegen schwierig, da sich großflächige Avalanche-Bereiche wegen der erforderlichen Strukturgenauigkeit der pn-Übergänge fertigungstechnisch kaum herstellen lassen.

Aus US 5 057 891 und JP 10284754 A sind ähnliche Avalanche-Strahlungsdetektoren bekannt, bei denen die Ausleseelektrode und die Steuerelektrode des Avalanche-Bereichs ebenfalls auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleitersubstrats angeordnet sind, was mit den vorstehend beschriebenen Nachteilen verbunden ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Avalanche-Strahlungsdetektor zu schaffen, der eine verbesserte Empfindlichkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem vorstehend beschriebenen bekannten Avalanche-Strahlungsdetektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, die Steuerelektrode zur Einstellung der elektrischen Feldstärke in dem Avalanche-Bereich nicht auf der dem Avalanche-Bereich gegenüberliegenden Seite des Avalanche-Strahlungsdetektors anzuordnen, sondern auf derselben Seite wie der Avalanche-Bereich. Dies bietet den Vorteil, dass aufgrund der räumlichen Nähe der Steuerelektrode zu dem Avalanche-Bereich geringere Steuerspannungen ausreichen, um die elektrische Feldstärke in dem Avalanche-Bereich auf den gewünschten Wert einzustellen. Darüber hinaus bietet diese Anordnung der Steuerelektrode den Vorteil, dass die erforderlichen Steuerspannungen zur Einstellung der elektrischen Feldstärke in dem Avalanche-Bereich durch die Dicke des Avalanche-Strahlungsdetektors nicht beeinflusst werden. Der erfindungsgemäße Avalanche-Strahlungsdetektor kann deshalb wesentlich dicker sein, als der eingangs beschriebene bekannte Avalanche-Strahlungsdetektor, was aufgrund des vergrößerten photosensitiven Bereichs zu einer entsprechend größeren Empfindlichkeit führt. Beispielsweise kann die Dicke des erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors im Bereich zwischen 30 &mgr;m und 1 mm liegen, wobei beliebige Zwischenwerte innerhalb dieses Wertebereichs möglich sind.

Vorzugsweise umgibt die Steuerelektrode den Avalanche-Bereich ringförmig, wobei der Begriff einer ringförmigen Anordnung der Steuerelektrode nicht auf eine kreisförmige oder sonstwie runde Gestaltung der Steuerelektrode beschränkt ist, sondern auch eine eckige Steuerelektrode umfasst, die den Avalanche-Bereich einschließt.

Weiterhin wird in dem Halbleitersubstrat vorzugsweise ein elektrisches Driftfeld erzeugt, das die von der zu detektierenden Strahlung generierten Ladungsträger innerhalb des Halbleitersubstrats zu dem Avalanche-Bereich bewegt. Auf diese Weise kann der photosensitive Bereich des Halbleitersubstrats wesentlich größer als der Avalanche-Bereich sein, wobei das Driftfeld sicher stellt, dass alle innerhalb des photosensitiven Bereichs erzeugten Ladungsträger zu dem Avalanche-Bereich gelangen und dort zur Lawinenbildung beitragen. Dies ermöglicht vorteilhaft einen großvolumigen photosensitiven Bereich, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors beiträgt.

Die Erzeugung des Driftfeldes zur Bewegung der Ladungsträger zu dem Avalanche-Bereich erfolgt vorzugsweise durch Elektrodenanordnungen, wie sie bei herkömmlichen Driftdetektoren bekannt sind. Beispielsweise können hierzu mehrere Sammelelektroden vorgesehen sein, die den Avalanche-Bereich umgeben und das Driftfeld erzeugen, wobei die Sammelelektroden vorzugsweise ringförmig und im Wesentlichen konzentrisch angeordnet sind.

Vorzugsweise ist die Steuerelektrode bei dem erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektor entsprechend einem ersten Dotierungstyp dotiert, während das Halbleitersubstrat entsprechend einem entgegengesetzten zweiten Dotierungstyp dotiert ist. Bei dem ersten Dotierungstyp kann es sich beispielsweise um eine p-Dotierung handeln, während der zweite Dotierungstyp aus einer n-Dotierung besteht. Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass der erste Dotierungstyp eine n-Dotierung ist, während der zweite Dotierungstyp eine p-Dotierung ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektor tritt die zu detektierende Strahlung durch ein Strahlungseintrittsfenster in den Strahlungsdetektor ein, wobei das Strahlungseintrittsfenster vorzugsweise an der Rückseite des Halbleitersubstrats angeordnet ist, also auf der dem Avalanche-Bereich gegenüberliegenden Seite. Diese Anordnung des Strahlungseintrittsfensters bietet den Vorteil, dass die zu detektierende Strahlung nicht durch die lichtundurchlässigen Strukturen (z.B. Verbindungsleitungen) auf der Seite des Avalanche-Bereichs abgeschattet wird.

Vorzugsweise ist das Strahlungseintrittsfenster für die zu detektierende Strahlung wesentlich großflächiger als der Avalanche-Bereich. Dies bietet den Vorteil, dass wesentlich mehr Strahlung detektiert werden kann als unmittelbar auf den Avalanche-Bereich fällt, wobei die durch die eingefallene Strahlung außerhalb des Avalanche-Bereichs generierten Ladungsträger vorzugsweise durch das vorstehend erwähnte Driftfeld zu dem Avalanche-Bereich geleitet werden, um dort zu der Lawinenbildung beizutragen.

Weiterhin weist der Avalanche-Bereich einen in dem Halbleitersubstrat vergrabenen und entsprechend dem ersten Dotierungstyp dotierten Halbleiterbereich auf, wobei der vergrabene Halbleiterbereich von der Steuerelektrode ansteuerbar ist. Dieser vergrabene Halbleiterbereich bestimmt die elektrische Feldstärke in dem Avalanche-Bereich und damit den Multiplikationsfaktor des erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors.

In einer Variante der Erfindung variiert die Dotierung des vergrabenen Halbleiterbereichs in lateraler Richtung hinsichtlich der Dotierungsstärke und/oder hinsichtlich der Tiefenausdehnung. Auf diese Weise kann die elektrische Feldstärke in dem Avalanche-Bereich in lateraler Richtung beeinflusst werden, um eine möglichst gleichförmige Feldstärkeverteilung innerhalb des Avalanche-Bereichs zu erzielen.

Der vergrabene Halbleiter-Bereich ist vorzugsweise vollständig verarmt, um zu verhindern, dass die in dem photosensitiven Bereich durch Strahlungseinwirkung generierten Ladungsträger in dem vergrabenen Halbleiterbereich rekombinieren, was eine Detektion verhindern würde. Außerhalb des Avalanche-Bereichs ist der vergrabene Halbleiterbereich dagegen vorzugsweise nur teilweise verarmt, damit der vergrabene Halbleiterbereich dort eine Barriere für die durch Strahlungseinwirkung generierten Ladungsträger bildet.

Der Avalanche-Bereich weist eine Ausleseelektrode auf, die entsprechend dem zweiten Dotierungstyp dotiert ist, wobei es sich vorzugsweise um eine n-Dotierung handelt.

Vorzugsweise ist die Ausleseelektrode des Avalanche-Bereichs in einen niedriger dotierten Halbleiterbereich desselben Dotierungstyps eingebettet. Dies bietet den Vorteil, dass sich die Durchbruchsfeldstärke im oberflächennahen Bereich verringert.

Die Dotierung der Ausleseelektrode und/oder des Halbleiterbereichs in den die Ausleseelektrode eingebettet ist, kann hierbei in lateraler Richtung hinsichtlich der Dotierungsstärke und/oder hinsichtlich der Tiefenausdehnung variieren. Dies ermöglicht innerhalb des Avalanche-Bereichs ebenfalls eine gleichmäßige Feldstärkeverteilung in lateraler Richtung.

Zur lateralen Variation der Dotierung besteht die Möglichkeit, dass sich die Ausleseelektrode oder der Halbleiterbereich, in den die Ausleseelektrode eingebettet ist, einerseits und der vergrabene Halbleiterbereich andererseits in der Tiefe teilweise überlappen, wobei sich deren gegenteilige Dotierung mindestens teilweise kompensiert.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass sich der vergrabene Halbleiterbereich in dem Halbleitersubstrat in lateraler Richtung bis unter die Steuerelektrode erstrecken kann. Dadurch wird erreicht, dass der Abstand zwischen der Steuerelektrode und der Ausleseelektrode vergrößert werden kann.

Die Steuerelektrode kann hierbei direkt mit dem vergrabenen Halbleiterbereich leitend verbunden sein, jedoch besteht auch die Möglichkeit, dass der Anschluss der Steuerelektrode an den vergrabenen Halbleiterbereich über eine schwache Potentialbarriere erfolgt.

An der Rückseite des Halbleitersubstrats und damit auf der dem Avalanche-Bereich gegenüberliegenden Seite ist vorzugsweise eine Rückelektrode angeordnet, um das Halbleitersubstrat von Ladungsträgern zu verarmen, wobei die Rückelektrode vorzugsweise entsprechend dem ersten Dotierungstyp dotiert ist und damit in der Regel eine p-Dotierung aufweist. Die Verarmung des Halbleitersubstrats im photosensitiven Bereich ist wichtig, da ansonsten vorhandene freie Ladungsträger Fehldetektionen auslösen könnten.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass in dem Halbleitersubstrat vorzugsweise ein elektrisches Feld mit einer Potentialbarriere besteht, wobei die Potentialbarriere eine Emission von Löchern aus der Steuerelektrode und/oder aus der Rückelektrode zu der jeweils gegenüberliegenden Seite des Halbleitersubstrats verhindert.

Zur Erzeugung der Potentialbarriere können die Steuerelektrode und die Rückelektrode gegenüber der Ausleseelektrode elektrisch negativ vorgespannt sein.

Hierbei besteht zwischen der Steuerelektrode und der Rückelektrode vorzugsweise ein Potentialunterschied, der so gering ist, dass sich die Potentialbarriere zwischen der Steuerelektrode und der Rückelektrode befindet.

Ferner ist zu erwähnen, dass das Halbleitersubstrat in der Praxis wesentlich schwächer dotiert ist, als der vergrabene Halbleiterbereich, die Ausleseelektrode, die Rückelektrode und/oder die Steuerelektrode.

Weiterhin ist noch zu erwähnen, dass das Halbleitersubstrat, der vergrabene Halbleiterbereich, die Ausleseelektrode, die Rückelektrode und/oder die Steuerelektrode mindestens teilweise aus Silizium oder Germanium bestehen können.

Schließlich besteht auch die Möglichkeit, mehrere erfindungsgemäße Avalanche-Strahlungsdetektoren in einer Detektoranordnung matrixförmig anzuordnen.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1A eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektor,

1B eine Querschnittsansicht des Avalanche-Strahlungsdetektors aus 1A,

2 eine Querschnittsansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors mit einem vergrabenen Halbleiterbereich, der in lateraler Richtung bis unter die Steuerelektrode gezogen ist,

3 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors, bei dem die Dotierung des vergrabenen Halbleiterbereichs in lateraler Richtung variiert,

4 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors, bei dem die Ausleseelektrode in einen Halbleiterbereich eingebettet ist, dessen Dotierung in lateraler Richtung variiert,

5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors, bei dem die Dotierung des vergrabenen Halbleiterbereichs in lateraler Richtung variiert sowie

6 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors mit mehreren ringförmigen und konzentrisch angeordneten Steuer- bzw. Sammelelektroden.

Der in den 1A und 1B dargestellte Avalanche-Strahlungsdetektor weist einen kreisscheibenförmigen, schwach n-dotierten Halbleiterkörper HK aus Silizium auf, wobei der Halbleiterkörper HK einen Radius rA im Zentimeterbereich und eine Dicke d im Bereich zwischen 30 &mgr;m und 1 mm aufweisen kann.

An seiner Rückseite RS weist der Halbleiterköper HK eine p-dotierte Rückelektrode RK auf, um den Halbleiterkörper HK von Ladungsträgern zu verarmen.

Darüber hinaus bildet die Rückseite RS des Halbleiterkörpers HK ein Strahlungseintrittsfenster, über das die zu detektierende Strahlung in den Halbleiterkörper HK eintritt und dort Ladungsträger generiert.

Auf seiner Vorderseite VS weist der Halbleiterkörper HK eine p-dotierte ringförmige Steuerelektrode R auf, die einen Avalanche-Bereich AB ringförmig umgibt, wobei der Avalanche-Bereich an der Vorderseite VS oberflächennah in dem Halbleiterkörper HK angeordnet ist. Der Avalanche-Bereich AB kann einen Durchmesser dAB im Mikrometerbereich aufweisen, wobei sich ein Wert von dAB = 10 &mgr;m als vorteilhaft erwiesen hat. Die geringen Abmessungen des Avalanche-Bereichs AB bei dem erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektor ermöglichen im Vergleich zu größeren Avalanche-Strukturen vorteilhaft eine kostengünstige Fertigung.

Der Avalanche-Bereich AB weist hierbei einen vergrabenen p-dotierten Halbleiterbereich DP und eine n-dotierte Ausleseelektrode A auf, wobei der vergrabene Halbleiterbereich DP durch die Steuerelektrode R angesteuert wird.

Darüber hinaus erzeugt die Steuerelektrode R in dem Halbleiterkörper HK ein elektrisches Driftfeld, das die in dem Halbleiterkörper HK durch Strahlungseinwirkung generierten Elektronen zu dem Avalanche-Bereich AB leitet, wo die Signalelektronen zu einer Lawinenbildung führen, die über die Ausleseelektrode A detektiert wird. Das Driftfeld ermöglicht es, dass das Strahlungseintrittsfenster und der photosensitive Bereich in dem Halbleiterkörper HK wesentlich größer sind als der Avalanche-Bereich AB. Der erfindungsgemäße Avalanche-Strahlungsdetektor vereinigt also den Vorteil einer großen, Empfindlichkeit aufgrund des großen Strahlungseintrittsfensters und des großvolumigen photosensitiven Bereichs mit dem Vorteil einer kostengünstigen, herkömmlichen Herstellung, da der Avalanche-Bereich AB relativ klein ist.

Zum Betrieb dieses Avalanche-Strahlungsdetektors werden an die Ausleseelektrode A, die Steuerelektrode R und die Rückelektrode RK elektrische Spannungen angelegt, so dass der Halbleiterkörper HK einschließlich des vergrabenen Halbleiterbereichs DP vollständig von Ladungsträgern verarmt ist und eine Potentialbarriere in dem Halbleiterkörper entsteht, die eine Emission von Löchern aus der p-dotierten Steuerelektrode R oder aus der ebenfalls p-dotierten Rückelektrode RK zur gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers HK verhindert.

Dieser Zustand wird erreicht, wenn sowohl die Rückelektrode RK als auch die Steuerelektrode R gegenüber der Ausleseelektrode A negativ vorgespannt werden, wobei der Potentialunterschied zwischen der Steuerelektrode R und der Rückelektrode RK so begrenzt wird, dass zwischen ihnen ein Potentialmaximum erhalten bleibt, das als Barriere für die Löcheremission wirkt.

Die in dem verarmten Halbleiterkörper HK erzeugten Signalelektronen werden dann über dieses Potentialmaximum zu dem Avalanche-Bereich AB geführt.

Die elektrische Feldstärke in dem Avalanche-Bereich AB wird durch Dotierungsstärke und Tiefe des vergrabenen, dotierten Halbleiterbereichs DP bestimmt und kann zusätzlich durch die zwischen der Ausleseelektrode A und der Steuerelektrode R angelegte Spannung variiert werden.

Auch das Potential an der Rückelektrode RK beeinflusst die elektrische Feldstärke in dem Avalanche-Bereich AB, wobei der Einfluss der Rückelektrode RK jedoch aufgrund des größeren Abstandes zu dem Avalanche-Bereich AB geringer ist, als der Einfluss der unmittelbar benachbarten Steuerelektrode R.

Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht vorteilhaft ein großes Strahlungseintrittsfenster und einen großvolumigen photosensitiven Bereich bei einem relativ kleinen Avalanche-Bereich. Das große Strahlungseintrittsfenster und der großvolumige photosensitive Bereich tragen hierbei zu einer großen Empfindlichkeit des Avalanche-Strahlungsdetektors bei, während der relativ kleine Avalanche-Bereich den Fertigungsaufwand in Grenzen hält, da sich großflächige Avalanche-Strukturen nur schwer herstellen lassen.

Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den 1A und 1B dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung zu den 1A und 1B verwiesen wird, wobei im Folgenden für entsprechende Bereiche dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die stark n-dotierte Ausleseelektrode A hierbei in einen schwächer n-dotierten Halbleiterbereich DN eingebettet ist.

Darüber hinaus ist der vergrabene, p-dotierte Halbleiterbereich DP in lateraler Richtung nach außen bis zu der Steuerelektrode R durchgezogen und mit dieser verbunden.

Zum einen wird durch diese Anordnung erreicht, dass der Abstand zwischen der Steuerelektrode R und der Ausleseelektrode A vergrößert werden kann.

Zum anderen wird auf diese Weise die Durchbruchsfeldstärke in dem Avalanche-Bereich AB oberflächennah herabgesetzt.

Der vergrabene, p-dotierte Halbleiterbereich DP ist hierbei jedoch nicht über seinen gesamten Bereich verarmt, sondern nur unterhalb des Avalanche-Bereichs AB. Das negative Potential der Steuerelektrode R wird hierbei also nicht mehr über die ringförmige Steuerelektrode R selbst an den Avalanche-Bereich AB herangeführt, sondern über den vergrabenen, p-dotierten Halbleiterbereich DP. Auf diese Weise werden die in dem Halbleiterkörper HK durch Strahlungseinwirkung entstandenen Signalelektronen in Richtung des Avalanche-Bereichs AB fokussiert.

Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors stimmt ebenfalls weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den 1A und 1B dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bereiche dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Dieses Ausführungsbeispiel beruht auf der Erkenntnis, dass in dem Avalanche-Bereich AB eine möglichst gleichförmige Ausbildung des elektrischen Feldes wünschenswert ist, was bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen nicht optimal umgesetzt wird. So sind bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel am Rand des Avalanche-Bereichs AB höhere Feldstärke zu erwarten als in der Mitte des Avalanche-Bereichs AB. Auch wenn die in dem Halbleiterkörper HK durch Strahlungseinwirkung generierten Signalelektronen ausschließlich mittig durch den Avalanche-Bereich AB laufen, ist die ungleichförmige Feldstärke in dem Avalanche-Bereich AB bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen nachteilig.

Wenn die vorangegangenen Ausführungsbeispiele beispielsweise im Proportionalmodus betrieben werden, so sind die maximale elektrische Feldstärke und damit auch der Ladungsmultiplikationsfaktor durch die Verhältnisse am Rand des Avalanche-Bereichs AB begrenzt, da dort ein Lawinendurchbruch verhindert werden muss.

Will man den Avalanche-Strahlungsdetektor dagegen im sogenannten Geiger-Modus betreiben, in dem eine Löschung der Ladungsträgerlawine durch Verringerung der angelegten Spannung erreicht wird, so ist eine wesentlich stärkere Verringerung der Spannung erforderlich, weil die ursprünglich im Zentralbereich des Avalanche-Bereichs AB ausgelöste Ladungsträgerlawine sich in den äußeren Avalanche-Bereich AB ausbreitet und auch dort zum Stillstand kommen muss.

Diese Probleme werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 dadurch gelöst, dass die Dotierung des vergrabenen, p-dotierten Halbleiterbereichs unterhalb des Avalanche-Bereichs AB in lateraler Richtung variiert. Diese Dotierungsvariation kann beispielsweise durch strukturierte Implantationen erreicht werden, wobei nicht nur die geometrische Ausdehnung, sondern auch Dosis und Energie (Tiefe) verändert werden können.

Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt ebenfalls weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bereiche dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Die Gleichförmigkeit der elektrischen Feldstärke innerhalb des Avalanche-Bereichs AB wird hierbei jedoch nicht durch eine laterale Dotierungsvariation innerhalb des vergrabenen, p-dotierten Halbleiterbereichs DP erreicht, sondern durch eine Dotierungsvariation in dem n-dotierten Halbleiterbereich DN, in den die Ausleseelektrode A eingebettet ist. Die Verringerung der elektrischen Feldstärke am Rand des Avalanche-Bereichs AB erfolgt hierbei durch teilweise Kompensation mittels einer Strukturierung der tiefen n-Dotierung des Halbleiterbereichs DN, deren Ausläufer mit dem vergrabenen, p-dotierten Halbleiterbereich DP überlappen.

Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors stimmt wieder weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bereiche dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Zur Verbesserung der Fokussierungseigenschaften der Signalelektronen ist hierbei zusätzlich eine ringförmige, vergrabene, p-dotierte Ringelektrode R' vorgesehen, die unterhalb des vergrabenen, p-dotierten Halbleiterbereichs DP angeordnet ist. Dadurch wird das elektrische Potential der Steuerelektrode R noch näher an den Avalanche-Bereich AB herangebracht, wodurch die Steuerwirkung der Steuerelektrode R auf den Avalanche-Bereich AB vergrößert wird. Die Anforderungen an die genaue Einhaltung der erforderlichen Dotierung des vergrabenen, p-dotierten Halbleiterbereichs DP werden dadurch geringer, da Abweichungen leichter durch Veränderungen des an die Steuerelektrode R angelegten elektrischen Potentials kompensiert werden können. Im Geiger-Modus wird die für das Löschen der Ladungsträgerlawine erforderliche Spannungsreduktion verringert.

Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors stimmt ebenfalls weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bereiche dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass der Avalanche-Bereich AB hierbei von mehreren konzentrischen Ringelektroden R1, R2, R3 umgeben ist, die in dem Halbleiterkörper HK ein Driftfeld erzeugen, durch das die in dem Halbleiterkörper HK durch Strahlungseinwirkung entstandenen Signalelektroden zu dem Avalanche-Bereich AB geführt werden. Die einzelnen Ringelektroden R1, R2, R3 liegen hierzu auf einem unterschiedlichen, nach außen abfallenden elektrischen Potential.

Der Avalanche-Strahlungsdetektor weist dadurch bei kleiner Ausdehnung des Avalanche-Bereichs AB eine sehr große Sammelfläche für die zu detektierende Strahlung auf, wobei die Zeitauflösung bei der Detektion durch die maximale Driftzeit bestimmt wird.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.


Anspruch[de]
  1. Avalanche-Strahlungsdetektor, mit

    a) einem Halbleitersubstrat (HK) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS),

    b) einem Avalanche-Bereich (AB), der in dem Halbleitersubstrat (HK) an der Vorderseite (VS) des Halbleitersubstrats (HK) angeordnet ist,

    c) einer Steuerelektrode (R) zur Einstellung der elektrischen Feldstärke in dem Avalanche-Bereich (AB),

    d) einem an der Rückseite (RS) des Halbleitersubstrats (HK) angeordneten Strahlungseintrittsfenster für die zu detektierende Strahlung,

    e) wobei der Avalanche-Bereich (AB) einen Auslesekontakt (A) aufweist, der an der Vorderseite (VS) des Halbleitersubstrats (HK) angeordnet ist,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    f) die Steuerelektrode (R) ebenfalls an der Vorderseite des Halbleitersubstrats (HK) angeordnet ist,

    g) der Avalanche-Bereich (AB) einen in dem Halbleitersubstrat (HK) vergrabenen Halbleiterbereich (DP) aufweist, wobei der vergrabene Halbleiterbereich (DP) von der Steuerelektrode (R) steuerbar ist.
  2. Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (R) den Avalanche-Bereich (AB) ringförmig umgibt.
  3. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein elektrisches Driftfeld in dem Halbleitersubstrat (HK), das durch die Strahlung generierte Ladungsträger innerhalb des Halbleitersubstrats (HK) zu dem Avalanche-Bereich (AB) bewegt.
  4. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (R) entsprechend einem ersten Dotierungstyp (p) dotiert ist, während das Halbleitersubstrat (HK) entsprechend einem entgegengesetzten zweiten Dotierungstyp (n) dotiert ist.
  5. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungseintrittsfenster wesentlich großflächiger als der Avalanche-Bereich (AB) ist.
  6. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Halbleitersubstrat (HK) ein photosensitiver Bereich befindet, in dem von der zu detektierenden Strahlung Ladungsträger generiert werden, wobei der photosensitive Bereich wesentlich großflächiger und/oder großvolumiger und/oder dicker und/oder breiter als der Avalanche-Bereich (AB) ist.
  7. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung des vergrabenen Halbleiterbereichs (DP) in lateraler Richtung hinsichtlich der Dotierungsstärke und/oder hinsichtlich der Tiefenausdehnung variiert.
  8. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vergrabene Halbleiterbereich (DP) in dem Avalanche-Bereich (AB) verarmt ist und außerhalb des Avalanche-Bereichs (AB) nur teilweise verarmt ist.
  9. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslesekontakt (A) entsprechend dem zweiten Dotierungstyp (n) dotiert ist.
  10. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslesekontakt (A) in einen niedriger dotierten Halbleiterbereich desselben Dotierungstyps (n) eingebettet ist.
  11. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung des Auslesekontakts (A) und/oder des Halbleiterbereichs, in den der Auslesekontakt (A) eingebettet ist, in lateraler Richtung hinsichtlich der Dotierungsstärke und/oder hinsichtlich der Tiefenausdehnung variiert.
  12. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Auslesekontakt (A) oder der Halbleiterbereich, in den der Auslesekontakt (A) eingebettet ist, einerseits und der vergrabene Halbleiterbereich (DP) andererseits in lateraler Richtung teilweise überlappen, wobei sich deren gegenteilige Dotierung mindestens teilweise kompensiert.
  13. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der vergrabene Halbleiterbereich (DP) in dem Halbleitersubstrat (HK) bis unter die Steuerelektrode (R) erstreckt.
  14. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vergrabene Halbleiterbereich (DP) mit der Steuerelektrode (R) verbunden ist.
  15. Avalanche-Strahlungsdetektor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückseite (RS) des Halbleitersubstrats (HK) eine Rückelektrode (RK) angeordnet ist, um das Halbleitersubstrat (HK) zu verarmen, wobei die Rückelektrode (RK) entsprechend dem ersten Dotierungstyp (p) dotiert ist.
  16. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Avalanche-Bereich (AB) von mehreren Sammelelektroden (R1-R3) umgeben ist, die in dem Halbleitersubstrat (HK) ein Driftfeld erzeugen, das auf den Avalanche-Bereich (AB) gerichtet ist.
  17. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelelektroden (R1-R3) den Avalanche-Bereich (AB) ringförmig und im Wesentlichen konzentrisch umgeben.
  18. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleitersubstrat (HK) und der vergrabene Halbleiterbereich (DP) vollständig von Ladungsträgern verarmt sind.
  19. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Halbleitersubstrat (HK) ein elektrisches Feld mit einer Potentialbarriere besteht, wobei die Potentialbarriere eine Emission von Löchern aus der Steuerelektrode (R) und/oder aus der Rückelektrode (RK) zu der jeweils gegenüber liegenden Seite des Halbleitersubstrats (HK) verhindert.
  20. Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (R) und die Rückelektrode (RK) gegenüber dem Auslesekontakt (A) elektrisch negativ vorgespannt sind, um die Potentialbarriere zu erzeugen.
  21. Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Steuerelektrode (R) und der Rückelektrode (RK) ein Potentialunterschied besteht, der so gering ist, dass sich die Potentialbarriere zwischen der Steuerelektrode (R) und der Rückelektrode (RK) befindet.
  22. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (HK) wesentlich schwächer dotiert ist als der vergrabene Halbleiterbereich (DP), der Auslesekontakt (A), die Rückelektrode (RK) und/oder die Steuerelektrode (R).
  23. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (HK), der vergrabene Halbleiterbereich (DP), der Auslesekontakt (A), die Rückelektrode (RK) und/oder die Steuerelektrode (R) mindestens teilweise aus Silizium oder Germanium besteht.
  24. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierungstyp (p) einer p-Dotierung entspricht, während der zweite Dotierungstyp (n) einer n-Dotierung entspricht.
  25. Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierungstyp einer n-Dotierung entspricht, während der zweite Dotierungstyp einer p-Dotierung entspricht.
  26. Detektoranordnung mit mehreren Avalanche-Strahlungsdetektoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Avalanche-Strahlungsdetektoren matrixförmig angeordnet sind.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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