DE1764059A1

DE1764059A1 - Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement und solche Elemente enthaltende Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1764059A1
Application number: DE19681764059
Authority: DE
Inventors: Archer Alva I
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1967-04-04
Filing date: 1968-03-28
Publication date: 1971-04-29
Also published as: JPS4836993B1; GB1198381A; FR1560078A; US3453507A

Description

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Prankfurt am Main/ den 27. Lara 1963

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LL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement und solche Elemente enthaltende Halbleiteranordnung "

Lichtempfindliche Halbleiterbauelemente· wie Fotowiderstände, Fotodioden und ,Fototransistoren sind bekannt. Man hat auch bereits vorgeschlagen, aus einer Vielzahl solcher Elemente Bildwandler aufzubauen, die an die Stelle von Hochvakuum-Bildwandlerröhren treten können und deren Hauptnachteil, nämlich die hohe Betriebsspannung für den Elektronenstrahl, vermeiden. Solche BiIdwandlerflachen aus einer Vielzahl von Fotozellen oder Fotodioden sind jedoch schwierig herzustellen, benötigen viel Platz, haben großes Gewicht und sind darüberhinaus teuer. Ferner ist die durch das auftreffende Licht erfolgende Steuerung des elektrischen Ausgangssignals mangelhaft. Aufgabe der Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen und ein für elektromagnetische Strahlung empfindliches Halbleiterbauelement vorzuschlagen, welches einfach und billig herzustellen ist, gute lichtelektrische Eigenschaften aufweist und von dem sich analog zur Technik der integrierten Schaltungen eine Vielzahl von Einzelelementen zu einer strahlungsempfindlichen Halbleiteranordnung zusammenfassen lassen. BAD ORIGINAL

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Da die Wirkungsweise des neuen Halbleiterbauelements gewisse Ähnlichkeiten mit derjenigen eines Feldeffekttransistors aufweist, wird zunächst der Aufbau und die Betriebsweise dieser bekannten Halbleiterbauelemente kurz erläutert. Bei einem normalen Feldeffekttransistor wird mit Hilfe einer einem Gatter zugeführten Spannung der Strom durch einen Halbleiterkanal gesteuert. Hierzu wird das Gatter derart vorgespannt, daß die Entleerungszone, welche im Übergangsbereich zwischen dem Gatter unö dem Kanal vorhanden ist, sich bis in den Kanal hinein erstreckt. Eine Vergrößerung der Spannung am Gatter bewirkt eine Ausdehnung der Entleerungszone in den Kanal,bis schließlich die Entleerungszone den Kanal abschnürt. In der Entleerungszone befinden sich keine Majoritätsträger, sie ist also nicht leitend. Je weiter die Entleerungszone in den Kanal hineinragt, umso kleiner wird der verbleibende leitfähige Querschnitt des Kanals. Für eine gute Steuerbarkeit ist es unerwünscht, wenn sich die Entleerungszone in den Bereich des Gatters hineinerstreckt, weil die Leitfähigkeit des Kanals gesteuert werden soll. Um einen übergang zu erhalten, bei dem sich die Entleerungszone in den Kanal statt in dem Bereich des Gatters erstreckt, wird das Gatter stark dotiert, d.h. hat eine hohe Fremdstoffkonzentration im Vergleich zum Kanal. Der Kanal 1st eng, damit kleine Steuersignale am Gatter eine möglichst große Wirkung auf die Leitfähigkeit des Kanals haben.

Es ist bekannt, daß Feldeffekttransistoren infolge der Erzeugung

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freier Ladungsträger im Halbleiter bei der Einstrahlung von Photonen einen fotoelektrischen Effekt zeigen können. Diese Ladungsträger wandern durch den Halbleiter und rekombinieren. Jedoch werden die in der Nähe des Übergangsbereiches eines pn-Übergangs, wie er zwischen dem Gatter und dem Kanal vorhanden ist, d.h. in oder in der Nähe der Entleerungszone eines pnr-Übergangs, erzeugten Ladungsträger über den Übergang hinwegbefördert und addieren sich zudem durch die Übergangszone fließenden Strom. Dieser Zusatzstrom wird als Fotostrom bezeichnet. Die Wirkung läßt sich in der Weise erklären, daß freie Ladungsträger, die innerhalb der Diffusionslänge der Übergangszone erzeugt werden, in Richtung auf den Übergang diffundieren und durch das elektrische Eigenfeld des Übergangs über diesen hinwegbefördert werden. Sie werden dann Teil des Fotostroms. Die Größe des fotoelektrischen Effekts hängt von der Ausdehnung der Entleerungszone ab, weil nur die dort erzeugten Ladungsträger zum Fotostrom beitragen. Deshalb begrenzt die hohe Fremdstoffkonzentration im Gatter, welche auch die Eindringtiefe der Entleerungsζone in das Gatter begrenzt, zugleich den erzielbaren fotoelektrischen Effekt.

Von diesem Stand der Technik ausgehend, ist das strahlungsempfindliche Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine erste Zone aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfahigkeitstyps mit einem Ausgangsanschluß, über welchen ein in dieser Zone fließender Fotostrom ge-

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messen werden kann, durch eine an die erste Zone angrenzende zweite Halbleiterzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps mit hoher relativer Fremdstoffkonzentration und mit einem Anschluß zur Zufuhr eines Steuersignals an die zweite Zone, ferner durch eine dritte ebenfalls an die erste Zone angrenzende Halbleiterzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp aber mit niedriger relativer Fremdstoffkonzentration in solcher Anordnung, daß die Umgebung des Übergangs von der ersten zur dritten Zone der auf das Halbleiterbauelement auftreffenden Strahlung ausgesetzt ist.

Der leitende Kanal befindet sich also in der ersten Zone, während die zweite Zone ein Gatter zur Zuführung eines elektrischen Steuersignals bildet und eine hohe relative Fremdstoffkonzentration aufweist, damit sich eine gute Steuerbarkeit der Leitfähigkeit im Kanal ergibt. Die dritte Zone bildet im Grenzbereich mit der ersten Zone einen Übergang, in dessen Umgebung freie Ladungsträger durch auftreffende Photonen erzeugt v/erden können. Die dritte Zone •hat eine niedrige relative Fremdstoffkonzentration, sodaß die zu diesem Übergang gehörige Entleerungszone sich genügend weit in die dritte Zone erstreckt, wodurch der fotoelektrische Effekt günstig beeinflußt wird, aber die elektrischen Steuereigenschaften des Elements nicht beeinträchtigt werden.

Die Erfindung erstreckt sich ferner auf eine aus mehreren Halbleiterelementen der genannten Art gebildete Halbleiter-

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anordnung, bei der diese Halbleiterelemente zu einer integralen Baueinheit zusammengefaßt sind. Bei einer solchen Baueinheit erstreckt sich in Weiterbildung der Erfindung jede von mehreren Zonen aus Halbleitermaterial des zweiten Leitfähigkeitstyps mit hoher relativer Fremdstoffkonzentration über alle strahlungsempfindlichen Elemente einer bestimmten Gruppe und bildet für die Elemente dieser Gruppe die zweiten Zonen. In der Halbleiteranordnung können die einzelnen Halbleiterelemente beispielsweise in Form einer Matrix, also in rechtwinklig zueinander angeordnete Reihen und Kolonnen aufgeteilt sein, jedoch sind auch beliebige andere Anordnungen der Gruppen möglich. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Zonen der einzelnen Halbleiterelemente der Anordnung Zonen einer sich über alle Elemente erstreckenden Schicht aus Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps. Dabei liegen sich die zweiten und dritten Zonen jedes strahlungsempfindlichen Elements zu beiden Seiten der ersten Zone gegenüber.

Unabhängig davon, ob die Einzelelemente der Halbleiteranordnung zu einer Baugruppe integriert sind oder nicht, sind die zweiten Zonen der einzelnen Elemente elektrisch zu einer ersten Art von Gruppen verbunden und an je eine Steuerleitung angeschlossen, so daß ein dieser Steuerleitung zugeführtes Signal alle strahlungsempfindlichen Elemente der betreffenden Gruppe anwählt. Die Ausgänge der ersten Zonen sind elektrisch

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zu einer zweiten Art von Gruppen verbunden und an je eine Ausgangsleitung angeschlossen. Dabei umfaßt jede der zweiten Gruppen den Ausgang jeweils eines strahlungsempfindlichen Elements aus jeder der ersten Gruppe. Man kann also durch gleichzeitiges Anwählen einer der ersten und einer der zweiten Gruppen jeweils dasjenige strahlungsempfindliche Element herausgreifen, welches gleichzeitig beiden angewählten Gruppen angehört. Auf diese Weise läßt sich in Form einer zweidimensionalen Wählmatrix die gesamte Anordnung von strahlungsempfindlichen Elementen zeilen- und kolonnenweise oder in beliebiger anderer Reihenfolge abtasten.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Hierin zeigt

Figur 1 den Teil einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung in Form eines elektrischen Schaltbildes,

Figur 2 die Draufsicht auf eine integrierte Halbleiteranordnung mit vier strahlungsempfindlichen Elementen und

Figur 3 einen Schnitt längs der Linie III - III in Fig.

Die Figuren 1 bis 3 können jeweils als Ausschnitt aus einer größeren,, eine Vielzahl von Halbleiterelementen umfassenden Halbleiteranordnung angesehen werden.

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Figur 4 zeigt ein Schaltungsbeispiel zur Verringerung der Einwirkung von Hintergrundstrahlung auf die strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung.

In allen Figuren sind gleiche oder ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Figur 1 ist ein Teil einer Halbleiteranordnung mit vier für elektromagnetische Strahlung empfindlichen Halbleiterelementen wiedergegeben, die wegen ihres ähnlichen Verhaltens zu Feldeffekttransistoren mit den entsprechenden Schaltsymbolen eingezeichnet sind. Die einzelnen Elemente können für sichtbare und/oder unsichtbare elektromagnetische Strahlung empfindlich sein. In der oberen Zeile der Anordnung liegen zwei strahlungs empfindliche Halbleiterelemente 13 und 21 und in der unteren Zeile dementsprechend zwei Halbleiterelemente 31 und 37· In der linken Spalte sind die beiden Halbleiterelemente 21 und 37 und in der rechten Spalte die Halbleiterelemente' 13 und 31 untereinander angeordnet. Es wird im folgenden der Einfachheit der Darstellung halber v/eiterhin von Zeilen und Spalten entsprechend der bildlichen Darstellung in den Figuren 1 und 2 gesprochen. Eine integrierte Halbleiteranordnung gemäS der Erfindung kann eine Vielzahl solcher Zeilen und Spalten umfassen. Bei Feldeffekttransistoren werden die Elektroden im Gegensatz zu normalen Transistoren bekanntlich nicht als Emitter und Kollektor,sondern als Quell-Elektrode und Senken-Elektrode bezeichnet. Der Einfachheithalber werden diese beiden Elektroden im folgenden Quelle und Senke genannt. 109818/0639

Die Ausgangsklemme 10 ist über eine Leitung 11 an die Senken 12 und 20 der beiden Halbleiterelemente 13 und 21 in der oberen Reihe angeschlossen. Die Elemente 13 und 21 weisen ferner Quellen 14 bzw. 22, Steuergatter 15 bzw. 23 und Eingangsgatter 16 bzw. 24 auf. Die letztgenannten Gatter können auch als fotoelektrische Gatter bezeichnet werden. Sie sind über entgegengesetzt gepolte pn-Ubergänge oder Dioden 17 bzw. 25 an die Quellen 14 bzw. 22 angeschlossen. Eine zweite Ausgangsklemme 26 ist in ähnlicher Weise über die Leitung 27 mit den beiden Elementen 31 und 37 verbunden, welche die zweite Zeile der Anordnung bilden.

Die Quellen 14 und 22 der Elemente I3 und 21 und die Quellen 32 und 4o der Elemente 31 und 37 sind jeweils mit Masse verbunden. Eine Eingangs- oder Steuersignalklemme 45 ist über die Leitung 46 an das Gatter 15 des Elements I3 ukd das Gatter 33 des Elements 3I angeschlossen. Eine weitere Eingangsklemme 37 steht über die Leitung 50 mit dem Gatter des Elements 21 und dem Gatter 41 des Elements 37 in Verbindung. Die Leitungen 11, 27, 46 und 50 sind in der Zeichnung als gestrichelte Leitungen fortgeführt, um anzudeuten, daß-sich weitere Elemente in beiden Richtungen anschließen können.

Zunächst sei angenommen, daß an die Klemmen 10, 26, 45 und 47 solche Potentiale gelegt sein, daß alle Elemente der Anordnung gesperrt sind. Das gezeigte Schaltsymbol für die

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genannten Elemente ist das eines η-Kanal-Elements, bei dem die Gatter aus p-leitendem Halbleitermaterial bestehen und zu ihrer Vorspannung in Sperr-Richtung eine negative Spannung den Gattern 15, 23, 33 und 4l zugeführt wird. Den Gattern 12, 20, 30 und J>6 kann eine positive Spannung zugeleitet werden. V/erden p-Kanal-Elemente eingesetzt, so ist die Polarität der Vorspannungen umzukehren. Es wird angenommen, daß die negativen Sperrspannungen an den Klemmen 45 und 47 groß genug sind, um die Elemente 13* 21, 31 und 37 zu sperren. Weiterhin wird davon ausgegangen, daß positive Sperrspannungen den Klemmen 10 und 2β zugeleitet werden, und daß jedes der Elemente einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist.

Alle Elemente sind derart aufgebaut, daß die Umgebung des pn-Übergangs zwischen den Gattern 16, 24, 34 und 42 zum entsprechenden Kanal der Strahlung ausgesetzt ist, so daß Überschuß-Ladungsträger erzeugt werden und ein Fotostrom fließt. Wie oben erwähnt, stammt er aus den Entleerungszonen dieser Übergänge. Die Theorie und die Gleichungen für diesen Fotostrom sind beschrieben in einem Aufsatz "Electron Process Photoconductor" von E.S. Rittner, veröffentlicht in der Druckschrift "Photoconductivity Conference, Wiley" von R.G. Breckenridge, et.al. auf den Seiten 215 bis

in 268. Eine ähnliche Abhandlung findet sich/dem Buch von

A. van der Ziel "Solid State Physical Electronics", Prentice-HaIl, 1957 auf den Seiten 379 bis 412. Diese Veröffentlichungen zeigen, daß ein pn-übergang bei Beleuchtung einen

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Fotostrom erzeugt oder eine Fotoleitfähigkeit zeigt. Selbstverständlich.bildet sich kein Strom aus, wenn die Anschlüsse des pn- Übergangs offen sind. Es zeigt sich dann eine Fotospannung.

Es sei angenommen, daß der fotoelektrische Zustand des Elements 37 abgetastet werden soll. Zu diesem Zweck wird die Gegenspannung von der Klemme 47 weggenommen, indem man diese Klemme mit Masse verbindet und das Element 37 entsperrt. Die Klemme 47 könnte auch auf ein Potential angehoben werden, welches in Bezug auf Masse positiv ist. Durch das Entsperren der Klemme 47 werden beide Elemente 21 und 37 in der linken Spalte angewählt, so daß Ausgangssignale von jeder der beiden Ausgangsklemmen 10 und 26

beiden
oder/abgenommen werden können. Das Ausgangssignal des Elements 37 steht an der Klemme 26, so daß nunmehr die Sperrspannung von dieser Klemme weggenommen und die Klemme 26 stattdessen an einen Strommesser angeschlossen wird. Der Fotostrom fließt dann vom Kanal des Elements 37 über die Senke 36 und die Leitung 27 zur Klemme 26.

Der jeweilige Typ des an die Klemme 26 anzuschließenden Stromfühlers hängt von der Verwendung der Halbleiteranordnung ab. In manchen Fällen wird es ausreichen festzustellen, ob das Element 37 beleuchtet wird oder nicht. Für diesen Zweck braucht der Stromfühler lediglich anzugeben, ob ein Fotostrom fließt oder nicht. Man kann

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also eine Trigger- oder Schwellwertschaltung verwenden. In anderen Fällen soll auch die Größe des Fotostroms festgestellt werden. Zu diesem Zweck muß ein entsprechender Stromfühler oder Strommesser eingesetzt werden. Der Strom kann angezeigt, gegebenenfalls verstärkt und für beliebige Meß- oder Regelzwecke ausgewertet werden.

Wenn die Klemme 47 entsperrt ist, kann der Fotostrom jedes beliebigen an die Leitung 50 angeschlossenen Elements festgestellt werden, weil alle diese Elemente entsperrt sind. Demzufolge kann vorn Element 21 zur gleichen Zeit ein Ausgangssignal abgenommen werden wie vom Element 37· Auf diese V/eise können von allen Elementen Ausgangssignale abgegriffen werden, indem die Ausgänge Spalte für Spalte abgetastet werden. Jeder in irgendeinem Element fließende Fotostrom läßt sich durch Zufuhr geeigneter Entsperrsignale an eine der Klemmen 10 und 2β und eine der Klemmen 45 und 47 messen xxr£xx. Das auf diese Viel se angewählte Element liefert an der ausgewählten Klemme 10 bzw. 2β einen Ausgangsstrom, der anzeigt, ob das Element beleuchtet wird, und dessen Größe zugleich ein Kaß für die Bestrahlungsintensität ist.

Die Figuren 2 und 3 zeigen den konstruktiven Aufbau einer integrierten Halbleiteranordnung, Vielehe schaltungsmäßig der Anordnung gemäß Figur 1 entspricht. Fir die einzelnen Zonen des Halbleitermaterials werden die den Elektroden der Schaltsymbole in Figur 1 entsprechenden Bezugszeichen

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verwendet. ■ ;.'- :

Eine Schicht 56 η-leitenden Halbleitermaterials erstreckt sich über alle Elemente IJ, 21, 3I und 37 der Halbleiteranordnung. Derjenige Teil der Schicht 56, der im Bereich eines bestimmten Elements liegt, bildet eine erste Halbleiterzone für dieses Element. Auf der einen Seite, nämlich der Oberseite in Figur J5, der Schicht 56 sind mehrere Streifen 57 und βθ p-leitenden Halbleitermaterials mit hoher relativer Fremdstoffkonzentration vorgesehen. Die Zone 57 erstreckt sich über alle strahlungsempfindlichen Elemente \J>, Jl usw. einer Gruppe, die in Figur 2 die rechte Spalte bildet. Derjenige Teil des Streifens 57 im Bereich jedes einzelnen Elements in dieser Spalte stellt eine zweite Halbleiterzone dieses Elements dar, die im Bereich der Grenzfläche zwischen der Schicht 56 und dem Streifen 57 an die erste Halbleiterzone angrenzt. In ähnlicher Weise erstreckt sich die Zone βθ über die strahlungsempfindlichen Elemente 21, J57 usw. in der linken Spalte der Anordnung gemäß Figur 2. ^>;i

Auf der anderen Seite, in Figur 3 der Unterseite, der Schicht 56 befinden.sich mehrere dritte Halbleiterzonen 16,24, ~*>k, 42, welche den zweiten Zonen der entsprechenden Elemente gegenüberliegen. Diese dritten Zonen bestehen aus p-leitfähigem Halbleitermaterial, welches jedoch eine niedrige relative Fremdstoffkonzentration aufweist. Sie grenzen längs der

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Berührungsflächen der Schicht 56 mit den dritten Zonen an die erste Zone an.

Die zweiten Zonen der einzelnen strahlungsempfindlichen Elemente sind mit Durchbrechungen bzw. Löchern versehen, durch welche Teile 12, 20, 30 bzw. 36 der zugehörigen ersten Zone hindurchragen. Diese hindurchragenden Teile 12 und 20 der ersten Zone der beiden Elemente I3 und 21 in der oberen Zeile, stehen in Kontakt mit entsprechenden Vorsprüngen 72 und 7^« Diese bilden die Ausgänge der ersten Zonen der Elemente I3 und 21 und sind über eine Leitung 11 miteinander verbunden. Tatsächlich sind die Vorsprünge 72 und "JK und die Leitung 11 aus einem Stück. Eine ähnliche Leitung 27 mit Vorsprüngen 73 und 75 steht in Verbindung mit durch entsprechende öffnungen der zweiten Zonen hindurchragenden Teilen 30 und 36 der ersten Zone der Elemente 3I und 37 in der unteren Zeile. Die Leitungen 11 und 27 sind Teil einer integrierten Baueinheit. Ihre Vorsprünge ragen durch eine isolierende und schützende Schicht 63 aus Siliziumdioxyd oder ähnlichem durchscheinenden Material hindurch, welches die Oberfläche der Halbleiteranordnung bedeckt. Die Leitungen 11 und 27 bestehen vorzugsweise aus Aluminium. V/o jedoch Aluminium mit n-leitendem Halbleitermaterial in Berührung kommt, kann es eine Inversion zu p-leitendem Material hervorrufen, so daß sich ein gleichrichtender Übergang bildet. Um dies zu vermeiden, sind die am Aluminium anliegenden Zonen η-leitenden Halbleitermaterials, also beispielsweise die Zonen 76 und 77 in

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Figur j5, extra stark η-leitend dotiert.

Die verschiedenen bisher erwähnten Zonen werden von einem Substrat 150 getragen, welches sich über die gesamte Halbleiteranordnung erstreckt und an eine gemeinsame Leitung, nämlich die Masseleitung 44 angeschlossen ist. Das Substrat besteht aus η-leitendem Halbleitermaterial und grenzt sowohl an die ersten Zonen, nämlich die Schicht 56 als auch an die dritten Zonen 16, 24, 34 und 42 an.

Die Wirkungsweise der verschiedenen Zonen und Teile des in den Figuren 2 und 3 gezeigtem Halbleiters wird am besten aus dem folgenden Vergleich mit Figur 1 ersichtlich. Die Leitungskanäle der Elemente Ij5> 21, 3I und 37 sind die schmalen Teile der ersten Zone der Schicht 56, welche zwischen den Streifen 57 und 6o einerseits und den entsprechenden dritten Zonen 34, 42,l6 und 24 liegen. In Figur 3 sind zwei solcher Kan^äle 6l und 62 zu sehen. Die fotoelektrischen Gatter 16, 24, 34 und 42 sind die dritten Zonen, von denen in Figur 3 zwei sichtbar sind. Die Steuergatter 15, 23, 33 und 4l werden durch die zweiten Halbleiterzonen gebildet, d.h. diejenigen Teile der Streifen 57 und 60, welche im Bereich der entsprechenden Halbleiterelemente liegen. Die Senken 12,20,30 und J>& in Figur 1 sind die aus der ersten Zone herausragenden Teile, von denen im Schnitt gemäß Figur 3 die beiden Teile 12 und 30 sichtbar sind. Die Quellen 14, 22, 32 und 40 sind in den Figuren 2 und 3 nicht besonders gezeichnet, sondern werden durch diejenigen Teile des Sub-

strats 150 gebildet, welche zwischen den Steuergattern, d.h. den dritten Zonen Jk_s 42, 24 und l6 liegen. Die Dioden 17, 25, 35, 43 der Schaltung gernäß Figur 1 v/erden durch den pn-übergang zwischen den Steuergattern oder dritten Zonen l6, 24, 34 und 42 und dem Substrat I50 gebildet. Da diese Dioden ebenfalls durch die auf die Halbleiteranordnung auftreffende Strahlung belichtet werden, erzeugen sie auch einen Fotostrom. Dieser bildet einen Vorstrom für die fotoelektrischen Gatter 16, 24, 34 und 42, der das Ausgangssignal vergrößert. Trifft keine Strahlung auf die Halbleiteranordnung, so erzeugen die Dioden keine Vorspannung für die fotoelektrischen Gatter.

Die relative Fremdstoffkonzentration der fotoelektrischen Gatter l6, 24, 34 und 42 ist im Hinblick auf eine größtmögliche Erzeugung von Ladungsträgern beim Einfall elektromagnetischer Strahlung optimiert. Die Gatter sind zu diesem Zweck nur leicht dotiert oder haben einen niedrige relative Fremdstoffkonzentration, so daß die Entleerungs- und Diffusionslängenzonen sich in beträchtlichem Maße in die Gatter hinein erstrecken. Die Steuergatter, d.h. die Teile der Streifen 57 und 60 sind für eine möglichst gute elektrische Steuerbarkeit optimiert, indem sie eine hohe relative Fremdstoffkonzentration aufweisen, damit sich die Entleerungszone nicht sehr weit in diese Gatter hineinerstreckt.

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Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung solcher in den Figuren 2 und 5 gezeigter integrierter Halbleiteranordnungen beschrieben. Ausgangsmaterial ist eine Platte aus η-leitendem Silizium von einer Dicke gleich derjenigen des Substrats I50 und der Schicht 56 zusammen und einer Fremdstoffkonzentration von etwa 10 Fremdstoffatomen pro ecm. Die Platte wird abgedeckt und in einen Ofen gebracht. Hier werden die fotoelektrischen Gatter 16, 42, ^4 und 42 in das Substrat eindiffundiert, indem gasförmiges BBr-, als Fremdstoff vermischt mit einem Trägergas wie Stickstoff über die abgedeckte Platte geleitet wird. Die fotoelektrischen Gatter weisen einen Fremdstoffgradienten auf, d.h. die Fremdstoffkonzentration ist an den tiefer im Gatter liegenden Stellen geringer als an den in der Nähe der Oberfläche liegenden Stellen. Die Fremdstoffkonzentration in den fotoelektrischen Gattern soll am Übergang Kanal-Gatter kleiner sein als 10 Fremdstoffatome pro ecm. Das Eindiffundieren der fotoelektrischen Gatter in die Platte erfordert das Eindiffundieren von Bor-Atomen durch den der Schicht 56 entsprechenden Teil der Platte. Als nächster Schritt erfolgt deshalb die Neutralisierung der Borverunreinigungen·in der Schicht 56, indem man gasförmiges POCl, vermischt mit einem Trägergas über die Platte leitet. Die resultierende Oberflächenkonzentration der Fremdstoffe in den Senken soll

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kleiner als 10 ' Fremdstoffatome pro ecm sein.

Als nächster Schritt werden die p-leitenden Streifen 57 und 60 in den oberen Teil der Schicht 56 eindiffundiert. Hierzu

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wird eine geeignete Maske aufgelegt und BBr^, über die Platte geleitet. Die Oberflächen-Fremdstoffkonzentration in den Teilen 57 und βθ soll etwa 10 ° Fremdstoffatome pro ecm betragen. Wie bereits erwähnt kann eine größere Konzentration von η-leitenden Fremdstoffen in den Kontaktzonen 76 und 77 der Senken erwünscht sein, das durch eine zusätzliche η-leitenden Diffusion bei entsprechender Abdeckung erreicht werden kann, nach-dem die Gatter 57 und βθ gebildet sind.

Schließlich v/erden die Schutzschicht 6j5 und die Leiter 11 und 27 auf die integrierte Baueinheit aufgebracht. Die vorstehend erwähnten Fremdstoffkonzentrationen sind nur

als Beispiele zu betrachten, weil die Konzentration innerhalb der einzelnen Zonen unterschiedlich ist und je nach An-Viendungszweck der Halbleiteranordnung variiert werden kann. In manchen Fällen kann die angegebene Fremdstoffkonzentration um eine Größenordnung verändert werden, ohne dass hierdurch die Eigenschaften der Halbleiteranordnung ernsthaft verringert werden.

Als Beispiele für eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung sind folgende Abmessungen zu betrachten: Die Dimension der Gatter l6, 24, 34 und 42 beträgt 5I x 51 /U mit 25 /U Substrat zwischen benachbarten Gattern. Die Senken 12, 20, j50 und 36 sind 25 x 19/U groß. Die Kontaktansätze 72, 73, 74 und 75 haben Abmessungen von 12,5 x 6,25/U. Die Leitungen 11 und 27 '

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sind 19/U breit. Die Wiedergabe der Dimensionen in den Figuren 2 und 3 ist nicht maßstabsgerecht sondern der Übersichtlichkeit wegen verzerrt. Beispielsweise sind die Kanäle 6l und 62 etwa 0,5/U breit. Im allgemeinen ist die Dicke der einzelnen Zonen in Figur 2 vergrößert dargestellt. Auch sollen die vorstehend angegebenen Abmessungen nur als Beispiel nicht aber als Einschränkung der Erfindung gewertet werden.

Die in den Figuren 2 und 3 gezeigte Halbleiteranordnung kann teilweise auch in Epitaxialtechnik hergestellt werden. Die fotoelektrischen Gatter 16, 24, 34 und 42 werden dabei wiederum durch Diffusion in eine als Substrat dienende Platte gebildet. Anschließend wird ein Epitaxialverfahren benutzt, um gasförmiges Silizium zusammen mit Fremdstoffen auf dem Substrat niederzuschlagen und hierdurch die Schicht 5δ zu bilden. Die Fremdstoffkonzentration

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in dieser Schicht sollte etwa 10 ^ Atome η-leitenden Typs pro ecm betragen. Die Fremdstoffkonzentration der Senken 12, 20, 30 und 36 kann durch Diffusion vergrößert werden. Die Streifen 11 und 27 werden dann in die Schicht 56 eindiffundiert.

Bei jeder Herstellungsart sind die fotoelektrischen Gatter 16, 24, 34 und 42 späterhin in Halbleitermaterial entgecengesetzten Leitfähigkeitstyps eingebettet und von solchem Material umgeben, von dem ein Teil die zugehörigen Leitungs-

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kanäle, also beispielsweise die Kanäle 6l und 62 bildet.

Figur h zeigt in Form eines Schaltbildes ein strahlungsempfindliches Halbleiterelement, welches ebenfalls Teil einer integrierten oder aus Einzelelementen aufgebauten Halbleiteranordnung sein kann und bei dem eine etwa vorhandene Hintergrundstrahlung kompensiert wird. Das Element ist in vieler Hinsicht ähnlich zu einem der vier Elemente, wie sie in Figur 1 wiedergegeben sind, so daß teilweise gleiche Bezugszeichen verwendet wurden und diejenigen Teile, die mit denen der Elemente in Figur 1 übereinstimmen, nicht erneut beschrieben werden. Anstelle einer Diode YJ ist beim Element gemäß Figur 4 zwischen das Fotogatter 16 und die Quelle l4 ein weiterer Feldeffekttransistor 100 eingeschaltet. Seine Senke 101 ist an das Gatter 16 und sein Gatter 102 an die Quelle lh angeschlossen. Wird dem Haupt te ilJ/Öes Elements, entsprechend dem Element 13 in Figur 1, eine zu messende oder zu überwachende Strahlung zugeleitet, so ist das zweite Element 100 nur der Hintergrundstrahlung ausgesetzt, welche eine Vorspannung an der Senke 101 entstehen läßt. Auf das Hauptelement 15 fällt sowohl die von diesem zu messende oder zu überwachende Strahlung als auch die Hintergrundstrahlung. Das Potential an der Senke 101 spannt das Gatter 16 derart vor, daß die Wirkung der Hintergrundstrahlung auf den Hauptteil 15 des Elements kompensiert wird. Demzufolge gibt das Ausgangssignal an der Senke 12 des Hauptelements nur die zu überwachende oder zu messende

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Strahlung, d.h. die Nutzstrahlung wieder. In Fällen, wo die Hintergrundstrahlung Schwierigkeiten bereitet, kann eine Anordnung, wie sie Figur 4 zeigt, in eine in Figuren 2 und 3 entsprechende Halbleiteranordnung zwecks Kompensation der Hintergrundstrahlung eingefügt werden.

In der vorstehenden Beschreibung weisen die strahlüngsempfindlichen Elemente η-leitende Kanäle auf. Stattdessen können auch Elemente mit p-Kanal eingesetzt werden, wobei dann die verschiedenen Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisen würden und die Polarität der zugeführten Signale umzukehren wäre.

Bei der beschriebenen Halbleiteranordnung aus einer Vielzahl von einzelnen Elementen sind diese in Zeilen und Spalten, d.h. senkrecht zueinander ausgerichteten Gruppen angeordnet. Man kann die Zusammenfassung als Elemente zu Gruppen jedoch auch auf andere V/eise bewerstelligen. Beispielsweise könnte man bei einer kreisförmigen Anordnung der einzelnen Elemente konzentrisch auf verschied?eäien Radien um einen Mittelpunkt eine Abtastung in PolarkOordihaten vorsehen, d.h. von einem gegebenen Radiusvektor ausgehend die einzelnen Elemente je nach Winkellage zu diesem Radiusvektor und Abstand vom Mittelpunkt zu Gruppen zusammenfassen. So lange eine Koinzidenzauswahl erforderlich ist, müssen zwei Arten von Gruppen vorhanden sein, wobei die -zweiten Zonen oder Steuergatter der einzelnen Elemente in jeder

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Gruppe der ersten Art zusammengeschaltet sind und jede der Gruppen der zweiten Art durch Verbindung der Ausgänge von entsprechenden Elementen aus jeder der ersten Gruppen gebildet wird. Auf diese Weise kann ein beliebiges Einzelelement angewählt werden., indem derjenigen Gruppe, welche dieses Element enthält, ein Signal für die Steuergatter zugeleitet wird. Durch Abnahme des Ausgangssignals von derjenigen der zweiten Gruppe, die ebenfalls dieses Element enthält, ist dieses und nur dieses Element ausgewählt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die beiden Arten von Gruppen durch Zeilen und Spalten gebildet.

Ein für elektromagnetische Strahlung empfindliches Element kann für beliebige Zwecke eingesetzt werden. Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung können beispielsweise in Bildwandlern oder anderen optischen Signalverarbeitungssystemen, beispielsweise Sternverfolgungsgeräten, Landkartenanpassungssystemen, optischen Lesegeräten und elektrooptischen Speichern eingesetzt v/erden. Sternverfolgungssysteme dienen beispielsweise zur Steuerung von Flugkörpern oder Fahrzeugen. Wenn eine solche Halbleiteranordnung in einem solchen Sternverfolgungsgerät eingesetzt wird, so fokussiert man das Bild des Sterns auf die Halbleiteranordnung. Die Ausgangssignale der Halbleiteranordnung v/erden überprüft, indem man beispielsweise die einzelnen Elemente periodisch zeilenweise abtastet. Aus der Lage der

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Auftreffstelle des Bildes des Sterns auf die Halbleiteranordnung kann auf dies räumliche Lage zwischen dem das Sternverfolgungsgerät tragenden Raumfahrzeug und dem Stern schließen. Die Ausgangssignale der Halbleiteranordnung können dann zur Steuerung des Raumfahrzeuges in eine gewünschte Richtung ausgenutzt werden. Bei der Anwendung einer solchen Halbleiteranordnung als elektrooptischer Speicher können die Ausgangssignale als Binärworte angesehen werden.

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Claims

Patentansprüche

1.) Für elektromagnetische Strahlung empfindliches Halbleiterbauelement, gekennzeichnet durch eine erste Zone (56) aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einem Ausgangsanschluß (11) über welchen ein in dieser Zone fließender Fotostrom gemessen werden kann,

durch eine an die erste Zone angrenzende zweite Halbleiterzone (57) eines zweiten Leitfähigkeitstyps mit hoher relativer Fremdstoffkonzentration und mit einem Anschluß (^5) zur Zufuhr eines Steuersignals an die zweite Zone,

ferner durch eine dritte ebenfalls an die erste Zone angrenzende Hälbleiterzone (l6) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, aber mit niedriger relativer Fremdstoffkonzentration in solcher Anordnung,

daß die Umgebung des Übergangs von der ersten zur dritten Zone der auf das Halbleiterbauelement auftreffenden Strahlung ausgesetzt ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der ersten Zone (56) einen zwischen der zweiten Zone (57) und der dritten Zone (l6) liegenden Kanal (61) bildet.

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3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, d a d ure h gekennzeichnet, daß ein Substrat (150) sowohl an die erste Zone (56) als auch an die dritte Zone (ΐβ) angrenzt.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3» dadurch gekenn ζ e i chnet, daß das Substrat (150) vom gleichen Leitfähigkeitstyp ist wie die erste Zone (56).

5· Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zone (16) in Halbleitermaterial vom ersten Leitfähigkeitstyp eingebettet und von diesem umgeben ist und daß ein Teil dieses Materials die erste Zone (56) bildet.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (57) mit Durchbrechungen versehen ist, durch welche ein Teil (12) der ersten Zone (56) hlridurchragt und einen Anschluß (72) für die Messung des Fotostroms bildet.

7. Aus mehreren Halbleiterbauelementen nach den Ansprüchen 1 bis 6 bestehende Halbleiteranordnung, dadurch gekennzei chnet, daß die Halbleiterbauelemente (13*21,31,37) zu einer integralen Baueinheit zusammengefaßt sind.

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8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß sich jede von mehreren Zonen (57*6o) aus Halbleitermaterial des zweiten Leitfähigkeitstyps mit hoher relativer Fremdstoffkonzentration über alle strahlungseinpfindlichen Elemente einer bestimmten Gruppe (21,37 bzw. 13>31) erstreckt und für die Elemente der betreffenden Gruppe die zweite Zone bildet.

9· Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente in Reihen und dazu rechtwinklig verlaufenden Kolonnen angeordnet sind, wobei jede Reihe bzw. Kolonne eine der Gruppen bildet und sich jede der Zonen (57*6o) aus Halbleitermaterial des zweiten Leitfähigkeitstyps längs einer Reihe bzw. Kolonne erstreckt.

10. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Zonen der einzelnen Halbleiterbauelemente Zonen einer sich über alle Elemente (21,13,31,37) erstreckenden Schicht (5β) eines Halbleitermaterials des ersten Leitfähigkeitstyps sind und daß sich die zweiten Zonen(57*6θ) und die dritten Zonen (16,24,34,42) jedes strahlungsempfindlichen Elements zu beiden Seiten der ersten Zone gegenüberliegen.

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11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9 öder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (72,74 bzw. 73,75) der ersten Zonen (56) der Elemente (1^,21 bzw. 31*37) einer kolonne bzw. Reihe über einen Leiter (11 bzw. 27) miteinander verbunden sind.

12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, däÖ die Leiter (11,27) Teile der integrierten Baueinheit sind.

13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3 oder 4 und einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daJ3 sich das Substrat (150) Über die gesamte Fläche aller strahlüngsempfindlichen Elemente erstreckt.

14. Halbleiteranordnung hach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dä& sich¹ das Halbleitermaterial, in welches die dritten Zörieri (16,24,34,42) der straHiüngs· empFiridlicheri Elemente (13*21,31,37) eingebettet sind, Über die gesamte friäche äüer strähiühgsempfiridlichen Elemente erstreckt.

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15· ilalbleiterbauelement oder Halbleiteranordnung nach

einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdstoffkonzentration der dritten Zone (16,24,3*1,42) im Hinblick auf größtmögliche Erzeugung von Ladungsträgern bei Einfall elektromagnetischer Strahlung optimiert ist.

16. Halbleiterbauelement oder Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß seine bzw. ihre Oberseite mit einer Schutzschicht abgedeckt ist.

17. Halbleiteranordnung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Zonen (57,6o) der einzelnen Elemente elektrisch zu einer ersten Art von Gruppen (57;60) verbunden und an je eine Steuerleitung (45;47) angeschlossen sind und daß die Ausgänge der ersten Zonen (56) elektrisch zu einer zweiten Art von Gruppen (72,74;73*75) verbunden und an eine Ausgangsleitung (10;26) angeschlossen sind, wobei jede der zweiten Gruppen den Ausgang jeweils eines strahlungsempfindlichen Elements aus jeder der ersten Gruppen umfaßt.

18. Halbleiterbauelement oder Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Halbleiterbauelement ein zweites derart zugeordnet ist, das ihre bei

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Bestrahlung entstehenden fotoelektrischen Signale einander entgegenwirken.

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