DE1957335A1

DE1957335A1 - Halbleiterbauelement mit einem strahlungsempfindlichen Halbleiterkoerper und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1957335A1
Application number: DE19691957335
Authority: DE
Inventors: Hart Paul Anton Herman
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-11-27
Filing date: 1969-11-14
Publication date: 1970-06-11
Also published as: ES373893A1; BE742193A; AT308850B; JPS4743477B1; US3649889A; DE1957335C3; CH513511A; BR6914455D0; FR2024357A1; NL6816923A; SE362534B; GB1288056A; DE1957335B2

Description

1 Ω γ-r, ^ ^ η PHN 3678

lng_f (grad.) GÜNTHER M. DAVID Ί 9 b / 3 3 b _Va/Rj

Patentassessor

Anmelder: N. V. PHILIPS¹ GLOEILAMPENFABRIEKEN
Akte: PHN- 3678

Anmelduhg vom: -15 _> jj_ov#

"Halbleiterbauelement mit einem strahlungsempfindlichen Halbleiterkörper und Verfahren zu dessen Herstellung".

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der ein mit einem Anschlussleiter versehenes Substratgebiet vom einen Leitfähigkeit styp enthält und von dem eine Oberfläche wenigstens teilweise mit einer Isolierschicht überzogen ist, während dieser Halbleiterkörper ein strahlungsempfindliches Mosaik aus praktisch identischen s trahlungsempf'indlichen Elementen zur Umwandlung eines Strahlungsbildes in elektrische Signale enthält, wobei diese Elemente in regelmässigen gegenseitigen Abständen angeordnet sind und

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je mit dem Substratgebiet in einer Oeffnung in der Isolierschicht einen gleichrichtenden Uebergang bilden.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements.

Bauelemente der erwähnten Art sind bekannt und lassen sich zur Umwandlung von Strahlungsbildern verschiedener Art, z.B. zum Auslesen von Lochkarten oder -Bändern, verwenden. Sie lassen sich sehr vorteilhaft "als Auftreffplatten bzw. Aufnahmeröhren mit Auftreffplatten für Videosignale verwenden (siehe z.B. 19^7 "International Solid State Circuits Conference", "Digest of Technical Papers", Februar 196?i S. 128 - 129). Das in der vorerwähnten Veröffentlichung beschriebene Halbleiterbauelement enthält eine Halbleiterscheibe mit auf einer Oberfläche einem strahlungsempfindlichen Mosaik aus Dioden, die mit einem Ende über einen auf der Halbleiterscheibe angebrachten Anschlussleiter an ein festes Potential gelegt werden, während das ändere Ende jeder Diode periodisch von einem Elektronenstrahl zu einem anderen Potential aufgeladen wird, derart, dass die Dioden in der Sperrichtung vorgespannt sind.

Wenn die Halbleiterscheibe mit einer örtlich verschiedenen Intensität, z.B. durch Projektion eines Bildes auf die Scheibe, bestrahlt wird, werden Ladungsträger mit einer von der örtlichen Strahlungsintensität abhängigen Dichte φη der Scheibe ersseugt. Qadurch werden die DIo-

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den mehl' oder weniger t-tark entladen und wird «omit dan Strahlungsbild in ein Ladungsbild- umgewandelt. Bei dom nächstfolgenden Durchgang dos Elektronenstrahls werden die völlig oder teilweise entladenen Dioden wieder auffinden, wobei im erwähnten Anschlussleiter - St romimpulsc! auftreten,'deren Grosse von dem Mass der Entladung der unterschiedlichen Dioden abhängig ist. Diese Strumimpiil ee können z.B. als "Spannünf*i>nnderungen über eimern im Auschlussleiter angeordneten liela«tung.^iderstand dutektiert werden. ·

Zum Erhalten einer hohen Definition ist as dabei erforderlich, dass die atrahlungsempf indl ichcti EIomente klein sind und dass die an einer bestimmten Stelle erzeugten Ladungsträger von dem dieser StelLe entsprechenden strahlungsempfindlichen Element aufgefangen werden uivl nicht an ein benachbartes Element oder an die zvisohnnliegende Halbleiteroberfläche gelangen. Diet· kann ?..R. dadurch erzielt werden, dass die Mosaikelemente möglicii^t nahe aneinander angeordnet werden. Ausserdem wird versuch+, wenn die Strahlung auf die den Mosaikelementen gegenüberliegende Oberfläche der Auftreffplarte einfällt, let/t'n Platte möglichst dünn zu machen.

Nicht nur ist es aus technologischen Gründen

kaum möglich die Halbleiterscheibe beliebig dünn zu machen, sondern auch muss die Scheibe zur Beibehaltung einpi genügenden Empfindliohkeit box grosser» Wellenlängen eine

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bestimmte Mindestdicke haben, die in der Grössenoxxinung von 10 - 100 ,um liegt. Ausserdera ist es im allgemeinen ungünstig, wenn die strahlungsempfindlichen Elemente sehr nahe aneinander angeordnet werden, weil die Kapazität der Auftreffplatte dadurch unerwünscht hoch werden kann, wodurch die Trägheit der Auftreff platte vergrössert wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin» dass bei Anwendung vieler nahe aneinander angeordneter »ehr kleiner Elemente der Gesfimtifickstrom (Dunkelstrom) verhältnisraässig gross wird. .„____

Venn die Trägiu^it der Aui'treff'plat-te verkleinert wex-den soll, muss die Platte kleiner gemacht werden,. oder müssen bei gleichbleibender Oberfläche der Auftreffplatzte die Mosaikelemente in grösseren Abständen voneinander angeordnet herden. In beiden Fällen wird aber die Definition beeinträchtigt·

Die Erfindung bezweckt« eine andere Bauart eines strahlungsempfindlichen Halbleiterbauelemente der beschriebenen Art zu schaffen, bei der eine sehr geringe Trägheit erreicht werden kann, während dennoch eine hohe Definition erhalten werden kann.

D»t Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugründe, da .ms durch «in in den Halbleiterkörper eingebautem geeignet ν.*-. ÜoTierung&profiJ verhindert wird, ,dass ^ _; örtlich von Strahlung erzrugto Ladungsträger von benachbarten Elementen aufgefangen werden, oder dass Ladungs- ,

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'träger zu der' zwischen den K lemon ton Liegenden Halbleiteroberfläche abfliessen, wobei ausserdem diese Ladungsträger zu dem entsprechenden Element geschickt werden können.

Ein strahlungöempfindliches Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der ein mit einem An-~ Schlussleiter versehenes Substratgebiet vom einen Leitfähigkeitstyp enthält und von dem eine Oberfläche wenigstens teilweise mit einer Isolierschicht überzogen ist, welcher Halbleiterkörper ein strahlungsempfindliches Mosaik aua praktisch identischen strahlungHempfiridlicheri Elementen zur Umwandlung eines Strahlungsbildeβ in elektrische Signale enthält, wobei diese Elemente in regelmässigen gegenseitigen Abständen angeordnet sind und je mit dem Substratgebiet in einer Oeffnung in der Isolierschicht einen gleichrichtenden Uebergang bilden, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass in das Substrat gebiet eine derartige'inhomogene Dotierungskonzentration eingebaut ist, dass wenigstens in dem .vom Mosaik abgekehlten Teil des Substratgebietes, der von der gemeinsamen Berührungsfläche mit den gleichrichtenden Uebergängen begrenzt wird, von dem erwähnten gleichrichtenden Ueborgang her in sämtlichen Richtungen ein elektrisches Feld vorhanden ist, unter dessen Einwirkung Minoritätsladungs-

träger sich im Substratgebiet in Richtung auf den gleichrichtenden Uebergang bewegen werden.

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Durch das nach der Erfindung angebrachte Dotierungsprofil wird In die Struktur ein elektrisches Feld eingebaut, wodurch die durch Bestrahlung erzeugten Minorität sladungs träger nicht zu benachbarten Elementen oder zu der Oberfläche diffundieren können.

Das Bauelement nach der Erfindung hat im Vergleich zu bekannten Bauelementen u.a. den wesentlichen Vorteil, dass die Abmessungen der strahlungsempfindlichen • Elemente nun nicht mehr, das Einfangvermögen bestimmen, wodurch die Elemente viel kleiner als üblich ausgebildet werden können, was eine erhebliche Verringerung der Kapazität und des Dunkelstromes zur Folge hat.

Das nach der Erfindung eingebaute Dotierungsprofil kann auf verschiedene Weise, z.B. durch eine von dem gleichrichtenden Uebergang her in sämtlichen Richtungen zunehmende Dotierungskonzentration, erzielt werden, wobei dieser Konzentrationsgradient sich über das ganze Substratgebiet erstrecken kann. Bei einer besonderen Ausführungsform, die sich in technischer Hinsicht auf einfache Weise verwirklichen lässt, wird der gleichrichtende Uebergang zwischen einer Zone des strahlungsrmpfindlichen Elements und einer ersten Substratzone von einen Leitfähigkeitstyp gebildet, wobei djiese erste Substratzone eine niedrigere Dotierungskonzentration als eine zweite Substratzone vom einen Leitfähigkeitstyp hat, die den den gleichrichtenden Uebergang begrenzenden Teil der

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•raten Substratzone innerhalb des Halbleiterkörpers nahe-SU völlig umgibt.

Es 8·1 bemerkt, dass die zweite Substratzone den den Gleichrichtenden Uebergang begrenzenden Teil der ersten Substratzone innerhalb des Halbleiterkörpers gem&ss der Erfindung mahezu völlig umgibt, wenn die zweite Substratzone sich zwischen zwei strahlungsompfindlichen Elementen wenigstens bis zu der durch ihren gleichrichtenden Uebergang bestimmten gemeinsamen Berührungsfläche erstreckt· Vorzugsweise erstreckt sich aber die zweite Substratzone zwischen den Elemente bis zu der Halbleiteroberfläche, wodurch eine möglichst vollständige Trennung zwischen den etrahlungsempfindlichen Flementen erhalten wird· Dabei«werden die Dotierungskonzentrationen vorteilhaft derart gewählt« dass die zweite stärker dotierte Subetratzone zwischen den strahlungsempfindlichen Elementen wenigstens an der Oberfläche eine derart hohe Konzentration hat, dass dort kein Inversionskanal gebildet werden kann· Bei einem verhältnismässig hochohmigen Material kann ein derartiger Inversionskanal nämlich leicht zwischen dem Halbleitermaterial und der Isolierschicht, meistens einer Oxydschicht, gebildet werden. Dadurch können Leckwege zwischen den strahlungsempfindlichen Elementen entstehen. Um dies zu verhindern, ist. z.B. bei Silizium im allgemeinen eine Oberfl^ächendotlerung von 10¹⁸ bis 1O¹⁹ Atomen/cm³ genügend.

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Der erwähnte gleichrichtende Uebergang kann aus einem Metall-Halbleiter-Uebergang bestehen. Z.B. können die strahlungsempfindlichen Elemente völlig oder teilweise aus Schottky-Dioden bestehen. Vorzugsweise wird der gleichrichtende Uebergang aber durch einen pn-Uebergang «wischen einer zu dem strahlungsempfindlichen Element gehörigen Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitetyp und dem Substratgebiet gebildet.

Die erwähnte erste Substratzone kann z.B. eine nahezu homogen dotierte Zone sein, die niedriger als eine zweite Substratzone dotiert ist, die die erste Substratzone umgibt,. Zwischen den erwähnten Substratzonen wird dann ein mehr oder weniger schroffer Dotierungsübergang gebildet. Dieser Uebergang und das zu diesem gehörige elektrische Feld verhindern, dass die von der Strahlung erzeugten Ladungsträger von einem benachbarten strahlungsempfindlichen Element eingefangen werden. Bei einer bevorzugten Ausf ührungsform hat die erste Substratzone aber oine Dotierungskonzentration, die von der zweiten Substratzone zu dem gleichrichtenden Uebergang kontinuierlich abnimmt. Dadurch wird in die erste Substratzone ein Driftfeld auf ähnliche Weise wie bei einem Drifttransistor eingebaut, wodurch die von Strahlung erzeugten Minoritätsladungsträger in Richtung auf das gewünschte strahlungsempfindliche Element geschickt werden. Dabei wird die Struktur des Bauelements vorzugsweise der-

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art gewählt, dass die Ootierungskonznntration dex· ersten . Substriiiv.one, von dem Üebergang zwischen der erstjen und der zweiten Substratzone her längs' der Isolierschicht langsamer als vom übrigen Teil des erwähnten Uebergangs her abnimmt, so dass sich der gleichrichtende Üebergang in einem sich in Richtung auf die Oberfläche verjüngenden Gebiet niedrigerer Dotierung befindetr wodurch die erwähnten Effekte noch verstärkt werden.

Der Abstand des gleichrichtenden Uebergangs von der zweiten Substratzone wird vorteilhaft höchstens gleich der mittleren Diffusionslänge der Minoritätsladungsträ-· ger in der ersten Substratzone gewählt. Dadurch wird ein optimaler Einfang von Ladungsträgern in die strahlungsejnpfindlichen Elemente gesichert, weil die Anzahl vor dem Erreichen des gleichrichtenden Uebergangs rekombinierender Ladungsträger vernachlässigbar klein wird.

41s 3trahlungsempfindliche Elemente können Schöttkydioden, pn-Dioden, Transistoren, pnpn-Elemente oder ander? strahlungsempfindliche Strukturen angewandt werden. In der einfachsten Form des Bauelements bestehen die strahlungsempfindlichen Elemente aus Dioden. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen die" strahlungi-ompfindlichen Elemente aus Phototransistoren, deren Basis-Kollektor-Uebergang durch den erwähnten gleichrichtenden Üebergang gebildet wird. Dabei wird die Struktur zwar etwaä verwickelter, aber wird der Vorteil

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ι ,

einer zusätzlichen Verstärkung erhalten.

Venn der gleichrichtende Uebergang ein pn-Ueb#rgang ist, wird dieser Uebergang in den mieten Fällen vor« zugsweise zwischen einem η-leitenden Subatratgebiet und einer p-leitenden Zone gebildet, weil der abtastende Elektronenstrahl im allgemeinen die Strahlung«empfindlichen Elemente negativ aufladen wird. Infolge von Sekun- _# däremission an der Halbleiteroberfläehe kann aber unter Umständen auch eine positive Aufladung auftreten· Dies könnte z.B. auch bei Anwendung eines Bündels positiv geladener Teilchen, wie positiver Jonen, statt eines Elektronenstrahls erzielt werden. Es ist einleuchtend, dass wenn eine derartige positive Aufladung stattfindet, ein p-leitendes Substrat benutzt wird, das einen pn—Uebergang mit einer n-ieitenden Zone des strahlungserapfindlichen Elements bildet.

Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung,

wenn das Bauelement eine Aufnahmeröhre ist, die eine Elektronenquelle enthält, die einen Elektronenstrahl erzeugen kann, mit dem eine Auftreffplatte abgetastet werden kann, die durch den erwähnten mit einem strahlungsempfindlichen Mosaik versehenen Halbleiterkörper gebildet , wird.

Das beschriebene Bauelement lässt sich auf verschiedene Weise herstellen. Z.B. kann eine Auftreffplatte der beschriebenen Art dadurch hergestellt werden, dass

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von einem plattenförmigen Substrat vom einen Leitfähigkeits- *-·. ■ typ auegegangen wird, in das von einer Seite her über die .fanse Oberfläche eine Verunreinigung vom gleichen Leitfähigkeit styp hereindiffundiert wird, während diese Diffusion von der anderen Seite her selektiv in Form eines Rattere erfolgt, derart, dass die von den beiden Seiten her Äüediffundierten Gebiete sich berühren. In oder auf den nichtdiffundierten übrigen Teilen werden dann die , strahlungsenpfindliohen Elemente angebracht.

Ein sehr geeignetes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemässen Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass von einem Substrat vom einen Leitfähig·' keltstyp ausgegangen wird, in dem an einer Oberfläche durch selektive» Aetzen an der Stelle der zu bildenden strahlungsempfindlichen Elemente Hohlräume angebracht werden, wonach auf dieser Oberfläche durch epitaktisches Anwachsen eine Halbleiterschicht vom einen Leitfähigkeitstyl» «it niedrigerer Dotierung als das Substrat angebracht wird, wonach in oder auf den über den Hohlräumen liegenden Teilen der epitaktischen Schicht der gleichrichtende Uebergang gebildet wird und die weiteren zu den strahlungsempfindlichen Elementen gehörigen Halbleiterzonen angebracht werden. Dabei kann nach dem Anbringen der epitaktischen Schicht erforderlichenfalls noch eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, wodurch die· dotierende Verunreinigung aus dem Substrat in die epitaktische Schicht

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hineindiffundiert, so dass deren Dotierungsprofil nach Wunsch geregelt werden kann. Auch während des epitaktischen Anwachsvorgangs erfolgt im allgemeinen bereits eine gewisse Ausdiffusion.

Vorzugsweise wird nach dem Anwachsen die epitaktische Schicht abgeschliffen, bis zwischen den Hohlräumen das Substrat erreicht ist, wodurch in den Hohlräumen völlig voneinander getrennte Gebiete der epitaktischen Schicht verbleiben, in oder auf denen, im allgemeinen nach einem Äetzvorgang zur Bildung einer möglichst fehlerlosen Kristalloberfläche, die strahlungsempfindlichen Elemente angebracht werden.

Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird gernäss der Erfindung ein η-leitendes Substrat benutzt, wobei nach dem Anwachsen wenigstens das Substrat mittels eines elektrolytischen Aetzverfahrens entfernt wird, so dass keine Strahlungsabsorption im hochdotierten Substrat auftreten kann.

Ein anderes besonders geeignetes Verfahren ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass von einem Substrat vom einen Leitfäliigkeitstyp ausgegangen wird, das an einer Oberfläche mit einer Maskierungsschicht versehen wird, in die örtlich Fenster geätzt werden, wonach durch Erhitzung die dotierende Verunreinigung über die Fenster teilweise aus dem Substrat ausdiffundiert wird, damit unter den Fenstern niedrig dotierte' Zonen gebildet

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• werden, wonach .in oder auf diesen Zonen der gleichrichtende Uebergang gebildet wird und die weiteren zu den strahlungsempfindlichen Elementen gehörigen Halbleiterzonen angebracht werden. Durch das Mass der Ausdiffusion wird dabei das Dotierungsprofil der ersten Substrätzone bestimmt. ·

Wenn die Strahlung auf die von dem strahlungsempfindlichen Mosaik abgekehrte Seite des Halbleiterkörpers einfallen soll, wird vorzugsweise die Gesamtdicke des Halbleiterkörpers nach dem Anbringen der strahlungsempfindlichen Elemente auf der von den Elementen abgekehrten Seite durch eine Behandlung zur Entfernung von Material auf einen Wert herabgesetzt, der höchstens gleich der Absorptionslänge der Strahlung im Substrat ist, für die die Elemente empfindlich sind.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. I schematisch einen Querschnitt durch ein Bauelement nach der Erfindung,

Figuren 2, 3 s 5» 6, 7 und 8 scheraatisch Querschnitte» durch das Bauelement nach Fig. I in auffolgenden Herbtellungs stufen,

Fig. k eine Draufsicht auf dan Bauelement nach Fig. 1 in der Herstel1ungsstufe, die in Fig. 5.im Querschnitt längs der Linie V-V dargestellt ist,

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Fig. 9 schematisch einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des erfindungsgeraässen Bauelements,

Figuren 10 und 11 schematisch Querschnitte durch weitere Ausführungsformen des Bauelements nach, der Erfindung,

Figuren 12 und 13 schematisch Querschnitte durch eine weitere Auaführungsform des Bauelements nach der Erfindung in auffolgenden Herstellungsstufen, und Fig. 14 schematisch einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäasen Bauelement in Form einer Aufnahmeröhre . . ^fc ··

Die Figuren sind der Deutlichkeit halber' insbesondere in der Dickenrichtung nicht masstäblich gezeichnet. Entsprechende. Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet._ ·

In Fig. 1 ist schematisch einen Querschnitt durch einen Teil eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung dargestellt. Das Bauelement enthält einen scheibenförmigen Halbleiterkörper 1 aus Silizium mit. einem nleitenden Substratgebiet (3, ^) das mit einem Anschlussleiter 2 versehen ist. An einer Oberfl_äche 5 der Siliziumscheibe ist ein strahlungsempfindliches Mosaik angebracht, das aus identischen strahlungsempfindlichen Dioden (7j ^) besteht, die je einen gleichrichtenden pn-Uebergang 6 zwischen einer p-leitenden Zone 7 und einer ersten η-leitenden Substratzone 4 enthalten. Dabei ist

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diese erste Substratzone h niedriger als das Gebiet 3 (die zweite Substratzone) dotiert, das sich, zwischen den Dioden bis zu der Halbleiteroberfläche 5 erstreckt und bei jeder der Dioden die Zone k innerhalb des Halbleiterkörpers völlig umgibt. Die Oberfläche 5 ist zwischen den Dioden. (7» *♦) mit einer Schicht 12 aus Siliziumoxyd überzogen.

Die zweite Substratzone 3 hat eine Phosphor-

19 /τ dotierungskonzentration von 10 Atomen/cm-¹ . Die erste Substratzone k hat eine Dotierungskonzentration, die von einem Wert von 10 Phosphoratomen/cm³ an der Stelle des Uebergangs zwischen den Zonen 3 und h her kontinuierlich auf einen. Wert von 10 Atomen/cm³ an der Stelle des gleichrichtenden Uebergangs 6 abnimmt.

Infolge der beschriebenen inhomogenen Dotierung ist im Substratgebiet (3, U.) von jedem Uebergang 6 her im saaitliehen Richtungen ein elektrisches Driftfeld vorhanden* das auf den betreffenden Uebergang gerichtet ist und durch das sich Löcher im Substratgebiet in Richtung auf den tJebergang 6 bewegen werden.

Die zweite Substratzone 3 hat, wie oben erwähnt wurde, an der Oberfläche 5 eine Dotierungskonzentration von 10 ' Atomen/cm³. Dies ist im allgemeinen genügend zur Verhinderung der Bildung eines Inversionskanals an dieser Oberfläche, der einen Leckweg zwischen Dioden bilden könnte.

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ORlG INSPECTS)

Das Bauelement nach Fig. 1 lässt sich ζ,Ίί. auf folgende Weise herstellen. Es wird (siehe Fig. 2) von einer η-leitenden Siliziumscheibe 3 mit einem Durchmesser von 25 mm, einer Dicke von 200 Aim und einer Phosphordotierung von 10 ■ Atomen/cm³ ausgegangen, welche Scheibe derart orientiert ist, dass ihre Hauptflachen nahezu parallel zu der (1OO)-KristalIflache verlaufen.

Von dieser Siliziumscheibe wird eine der Hauptflächen poliert und geätzt, so dass die Oberfläche eine möglichst fehlerlose Kristallstruktur aufweist. Diese Oberfläche wird dann bei 1100⁰C in feuchten Sauerstoff oxydiert, bis eine Oxydschicht.8 mit einer Dicke von 0,5 /um erhalten ist (siehe Fig. 3)·

In dieser Oxydschicht werden mit Hilfe in der Halbleitertechnik allgemein üblicher Photoreservierungs«* techniken quadratische Löcher 9 mit Abmessungen von 27 χ 27 /um mit in Richtung der Seiten der Löcher einen Stich von 30 /tun angebracht (siehe Fig. Λ und den Querschnitt längs der Linie V-V nach Fig. 5)· Anschliessend wird mit einem Gemisch aus 250 g KOH, 850 g H_0 und 25 g Isopropanol während etwa 15 Minuten geätzt, wobei* (siehe Fig. 6) im Silizium Hohlräume 10 mit einer Tiefe von 13 /tun gebildet werden. Infolge der (100)-Orientierung der Siliziumscheibe wird praktisch nur in der Dickenrichtung der Scheibe geätzt, während in seitlicher Richtung nahezu kein Silizium unter der Oxydschicht weggeätzt

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Dann wird durch Aetzen in Fluorwasserstoff die •Oxydschicht 8 entfernt und wird durch epitaktisches Anwachsen auf der Oberfläche und in den Hohlräumen -10 eine Schicht 11 aus η-leitendem Silizium mit einer Phosphordotierung von 10 Atomen/cm³ mit einer Dicke von 15 /um

angebracht (siehe Fig. 7)·

Die epitaktische Schicht 11 wird anschliessend abgeschliffen, bis das hochdotierte n-leitende Substrat 3 erreicht ist, und wird dann geätzt, so dass voneinander, getrennte epitaktische Gebiete k zurückbleiben (siehe Fig. 8). Dann wird die Siliziumscheibe auf 1200⁰C während 3 Stunden in einer Atmosphäre von bei 25°C mit Wasser gesättigtem Sauerstoff erhitzt. Dabei bildet sich (siehe Fig. 8) eine Oxydschicht 12 mit einer Dicke von 0,6 /um, während auch von dem η -Substrat 3 her Phosphor in die Gebote k hineindiffundiert, so dass in diesen Gebieten h eine von dem Substrat 3 her abnehmende Phosphorkonzentration vorhanden ist, wobei an der Stelle der gestrichelten Linie 13 die Phosphorkonzentration auf 10 Atome/cm³ Abgenommen hat. Diese Fläche 13 gleicher Konzentration ver-· läuft grösstenteils parallel zu der Oberfläche 5 und liegt etwa 2 ,um unter dieser Oberfläche. Infolge der Tatsache, dass die Phosphoratome weniger leicht in das Siliziumoxyd als in das Silizium eindiffundieren, wird

15 /i die Fläche 13» in der die Konzentration 10 Atome/cm-

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beträgt, an der Oberfläche 5 nach innen abgebogen* so das* längs der Oxydschicht 12 die Phosphorkonaett/fcretion langsamer als vom übrigen Teil des Uebergangs «wischen den Zonen 3 und k her abnimmt. >

Jn die Oxydschicht 12 werden wie^eF mit Hilfe bekannter Photoreservierungstechniken rundf Fenster Ik '■■ (siehe Fig. 1) mit einem Durchmesser von 1i> ^UW *e»tat, ₉Ueber diese Fenster wird auf Übliche Weist bei 1100° C Bor in eine geschlossene Kapsel eindiffundiert, wobei die

Diffusionsquelle aus Siliziumpulver mit einer Borkonzen-

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tration von 10 Atomen/cm³ besteht, bis die eindiffundierten p-leitenden Zonen 7 (siehe Fig. 1) mit pn-Uebergangen 6 auf etwa 2 aub unter der Oberfläche gebildet sind« Da diese Bordiffusign von viel kürzerer Dauer als die vorangehende Ausdiffusion von Phosphoratomen aus der Zone in die epitaktische Zone k ist, ändert sich die Phosphorverteilung in den epitaktischen Gebieten k während dieser Bordiffusion nahezu nicht. Die pn-Uebergänge 6 liegen somit etwa auf dem Pegel, auf dem die vom Substrat her abnehmende Phosphorkonzentration auf die ursprüngliche Donatorkonzentration der «pitaktischen Schicht 11 abgenommen hat.

Der Abstand der pn-Uebergäfige 6 von dem Substrat— gebiet 3 ist in diesem Beispiel Überfall kleiner als 50 /um, d.h. kleiner als die mittlere Diffusionslänge der Löcher in den Gebieten 4, so dass ein optimaler Einfang von La-

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dungsträgern durch die Uebergänge 6 erreicht wird.

Die weitereAatbeitung der Auftreffplatte ist von de« Anwendungszweck abhängig* Wenn der Elektronenstrahl pus Abtasten der Dioden und der Lichtstrahl zur Erzeugung •in·· Strahlungsbildeβ beide auf die Seite der Platte einfallen, auf der aloh die Dioden befinden, was z.B. erlftl«lt werden kann, wenn man den Elektronenstrahl undden bilder*eugenden Lichtstrahl unter verschiedenen Winkeln auf die Auftreffplatte einfallen lässt, ist es genügend, •in· fclektrodenschicht 2 auf der ganzen von den Dioden abgekehrten Oberfläche der Platte anzubringen (siehe Flg. 1). Venh der Lichtstrahl von der anderen Seite her auf die Auftreffplatte einfällt, empfiehlt es sich, die Platte durch Abschleifen und Aetzen von der von den Dioden Abgekehrten Oberfläche auf eine Oesamtdicke herabzusetzen, Alti Rohsten· gleich der Absorptionsiange der Strahlung 4* Substrat ist, ItLr die die Elemente empfindlich sind, 4tH Vorliegenden Beispiele z.B. auf eine Dicke von 20 Atm. jHaf der Oberfläche, auf die der Lichtstrahl einfällt, wird dann am Rande ein ringförmiger Kontakt angebracht, wobei erforderlichenfalls zur VergrBsserung der Festig-

keit die Auftreffplatte noch auf einem für Strahlung durchlässigen Träger angebracht werden kann.

Nach einer Variante des beschriebenen Verfahrens kann nach dem Anbringen der p-leitenden Zonen 7 auf Übliche Welse noch selektiv in diese Zonen eine n-leitende

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Zone 15 mit einer Eindringtiefe von z.B. 1 /um eindiffundiert werden (siehe Fig. 9)· Die strahlungsempfindlichen Elemente werden dann durch Phototransistoren (15» 7» *O gebildet, deren Uebergang 6 den Kollektor-Basie-Uebergang bildet.

Das beschriebene Verfahren kann nach einer Abwandlung auch ohne Abschleifen der epitaktischen Schicht 11 durchgeführt werden. Dabei wird eine etwas andere Struktur erhalten. Ein Detail dieser Struktur mit zwei Dioden (16, k) und (17, k) ist in Fig. 10 dargestellt. Dabei erstreckt sich die zweite Substratzone 3 nicht bis zu der Halbleiteroberfläche, sondern wohl über die gemeinsame Berührungsfläche 18 hin, die durch die gleichrichtenden Uebergänge 19 und 20 bestimmt wird. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann in diesem Falle, z.B. durch einen elektrolytischen Aetzvorgang (siehe die französische Patentschrift I562282), dem die von den Dioden abgekehrte Oberfläche der Slliziumscheibe unterworfen wird, das Substrat 3 sowie ein Teil des durch Ausdiffusion erhaltenen hochdotierten Teiles der Schicht 11

entfernt werden, so dass die Struktur nach Fig. 11 gebildet wird» Bei diesem elektrolytischen Aetzvorgang wird Material entfernt, bis eine Dotierungskonzentration von

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etwa 10 Atomen/cm-³ erhalten ist, während der übrige Teil der Schicht 11 nicht angegriffen wird. Die Dotie-

" 17 ' —T " '

rungsgrenze mit einer Konzentration von 10 cm ist

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■ in Fig. 10 mit der gestrichelten Linie 21 angedeutet, und das η-leitende Silizium wird etwa bis zu dieser Grenze entfernt (siehe Fig. 11"). Der übrige Teil der Gebiete 4 behält einen Dotierungsgradienten. Dadurch ist nach der Erfindung in den vom strahlungsempfindlichen Mosaik abgekehrten Teilen 4 des Substratgebietes, die- von der gemeinsamen Berührungsfläche 22 mit den pn-Uebergängen 19 und 20 begrenzt werden, von diesen Uebergängen her in sämtlichen Richtungen ein Driftfeld vorhanden, das auf diese Uebergänge gerichtet ist. Unter der Einwirkung dieses Driftfeldes werden sich Löcher in Richtung auf die Uebergänge 19 und 20 bewegen. Die Struktur nach Fig. 11 hat den Vorteil, dass Strahlungsabsorption im Substrat "3 nun völlig vermieden wird, was insbesondere für die kürzeren Wellenlängenbereiche günstig ist. Die Struktur hat jedoch keine besonders gross mechanische Festigkeit und wird daher vorzugsweise auf einem Träger angebracht.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung dee Bauelements nach der Erfindung wird an Hand der Figuren 12 und 13 beschrieben. Gleich wie bei der vorangehenden Ausführungsform wird von einer η-leitenden Siliziumscheibe 31 (siehe Fig. 12) mit einem Durchmesser von 25 mm, einer

19 Dicke von 200 /um und einer Phosphorkonzentration von 10 Atomen/cm³ ausgegangen. Von dieser Scheibe wird wieder eine der Hauptflächen poliert und geätzt, wonach bei 1100°C in feuchtem Sauerstoff oxydiert wird, bis eine

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Oxydschicht 32 mit einer Dicke> von etwa 0,5 /tun erhalten ist.

In diese Oxydschicht werden runde Fenster 33 mit einem Durchmesser von 6 /um und in zueinander senkrechten Richtungen einem Stich von 20 /um geätzt, so dass eine Struktur erhalten wird, die in Fig. 11 schematisch im Querschnitt dargestellt ist.

Die Siliziumscheibe wird dann auf eine Tempera-• tür von 1150⁰C während I50 Stunden in einer evakuierten Quarzampulle in Gegenwart von schwachdotierten Siliziumpulver (Dotierung 10 Atome/cm³) erhitzt* Während dieser Erhitzung diffundieren Phosphoratome aus der Scheibe über die Fenster 33 aus. Dadurch bilden sich (siehe Fig. 11) in der Scheibe niedriger dotierte Gebiete 34, in denen die Konzentration "von der Oberfläche her auf einen Wert von 5·10 Atomen/cm³ an der Stelle der gestrichelten Linie 35 auf etwa 7 /um unter der Oberfläche zunimmt.

Anschliessend wird über die Fenster 33 Bor bis zu einer Tiefe von 1 /um zur Bildung der p-leitenden Zonen 36 eindiffundiert (siehe Fig. 13). Auf dieser Tiefe beträgt die Phosphorkonzentration etwa 10 Atome/cm³. Die Dioden (36, 3k) mit den pn-Uebergängen 37 bilden das strahlungsempfindliche Mosaik.

Ein Vorteil dieses Verfahrens ist der, dass ein epitaktisches Anwachsen und ein zusätzlicher Ausrichtschritt nicht erforderlich sind; die Ausdiffusionszeit

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!'' ⁱ: 1st dagegen aber verhältnismässig lang.

' . Die weitere Abarbeitung der Auftreffplatte er-

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folgt auf gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsforte.

Fig· ik zeigt schematisch einen Querschnitt ; durch eine 'Aufnahmeröhre nach der Erfindung,, die eine

Auftreffplatte der obenbeschriebenen Art enthält. Diese

Aufnahmeröhre enthält eine Elektronenquelle in Form eine« Blektronenstrahlerzeugungssystems 41, das einen Elektronenstrahl erzeugen kann, mit dem die Platte k2 durch Ablenkung dee Elektronenstrahls mit Hilfe eines geeigne-

! ten Spuleneystems k3 abgetastet werden kann. Durch Sekundäremission erhaltene Elektronen werden von einem Gitter kk aufgefangen. Die Linse k5 projiziert über die Glasplatt· **6 ein Strahlungsbild auf die Auf treffplatte 42.

* Die Mxttreffplatte ist auf der von den jstrahlungsempfind-Diöden k7 abgekehrten Seite am Umfang mit einem naigen Anschlusskontakt kB versehen, der im Betriebszustand über den Widerstand h9 an die positive Klemve einer Spannungsquelle 50 angeschlossen ist, deren negative Klemme mit der Elektronenquelle 41 verbunden ist. Die Dioden werden von der Spannungsquelle 50 mittels des Elektronenstrahls aufgeladen und dann durch einfallende Strahlung völlig oder teilweise entladen. Die Stromsignale, die 3dadurch erhalten werden, dass die Dioden beim nächstfolgenden Durchgang des Elektronenstrahls wieder

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aufgeladen werden, können κ.Β. über den Widerstand 49 an den Klemmen 51 und 52 entnommen werden.

Es ist einleuchtend, dass sich die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt* sondern dass für den Fachmann im Rahmen der Erfindung viele Abarten möglich sind. Insbesondere kann das strahlungsempfindliche Mosaik unter Urast—änden statt durch einen Elektronenstrahl durch andere Mittel abgetastet werden. Z.B. kann jedes der strahlungsempfindlichen Elemente auf der dem Mosaik zugekehrten Seite mit einem gesonderten Anschlussleiter versehen werden, über den die Elemente auf galvanischem Wege aufgeladen werden können* Auch können statt Dioden oder Transistoren andere strahlungsempfindliche Elemente, z.B. pnpn*Strukturen, angewandt werden, während das Bauelement nach dör Erfindung auch durch andere als die obenbeschriebenen Verfahren hergestellt werden kann. Als Materialien können statt

Silizium auch andere Halbleitermaterialien, z.B. Germanium oder Ill-V-Verbindungen verwendet werden, während die unterschiedlichen Halbleiterzonen aus verschiedenen Halbleitermaterialien aufgebaut sein können.

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Claims

.Patentansprüche; .

M.) Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der ein mit einem Anschlussleiter versehenes Substratgebiet vom einen Leitfähigkeitstyp enthält und von dem eine Oberfläche wenigstens teilweise mit einer Isolierschicht überzogen ist, während dieser Körper ein strahlungsempfindliches Mosaik aus nahezu identischen strahlungsempfindlichen Elementen zur Umwandlung eines Strahlungsbildes in elektrische Signale enthält, wobei diese Elemente in regelmässigen gegenseitigen Abständen angeordnet sind· und je mit dem Substratgebiet in einer Oeffnung in der Isolierschicht einen gleichrichtenden Uebergang bilden, dadurch gekennzeichnet, dass in das Substratgebiet eine derartige inhomogene Dotierungskonzentration eingebaut ist, dass wenigstens in dem vom Mosaik abgekehrten Teil des Substratgebietes, der von der gemeinsamen Berührungsfläche mit den gleichrichtenden Uebergängen begrenzt wird, von dem erwähnten gleichrichtenden Uebergang her in sämtlichen Richtungen ein elektrisches Feld vorhanden ist, unter dessen Einwirkung sich Minoritätsträger im Substratgebiet in Riöhtung auf den gleichrichtenden Uebergang ' bewegen werden.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gleichrichtende Uebergang zwischen einer Zone des strahlungsempfindlichen Elemente und einer ersten Substratzone vom einen Leitfähigkeitstyp

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gebildet wird; die eine niedrigere Dotierungskonzentration als eine zweite Substratzone vom einen Leitfähigkeit styp hat, die'den den gleichrichtenden Uebergang begrenzenden Teil der ersten Substratzone innerhalb des Halbleiterkörpers nahezu völlig umgibt«

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Substratzone sich zwischen den strahlungsempfindlichen Elementen bis zu der * Halbleiteroberfläche erstreckt.

k. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Substratzone zwischen den strahlungsempfindlichen Elementen wenigstens an der Oberfläche eine derart hohe Dotierungskonzentration aufweist; dass sich dort kein Inversionskanal bilden kann.

5. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Anspruchs 2 bis k, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Substratzone eine Dotierungskonzentration hat , die von der zweiten Substratzone her zu dem gleichrichtenden Uebergang kontinuierlich abnimmt·

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5$ dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration der er.-sten Substratzone, von dem Uebergang zwischen der ersten und der zweiten Substratzone her gerechnet, längs der f Isolierschicht langsamer als vom Übrigen Teil des er— \ wähnten Uebergangs her abnimmt. j 7« Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren

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(Ibt* Ansprüche 2 bis 6, dadurch, gekennzeichnet« dass der Abstand des gleichrichtenden Uebergangs von der zweiten i> <* Substratzone höchstens gleich der mittleren Diffusions länge der Minorität»ladungsträger in der ersten Substratzone

8. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gleichrichtende Uebergang durch einen pn-Uebergang «wischen.einer zu einem strahlungsempfindlichen Element gehörigen Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und dem Substratgebiet gebildet wird. 9» Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet· dass die Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeit styp p-1eitend ist.

10. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet;, dass die strahlungsempfindlichen Elemente aus Dioden bestehen. 11« Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9· dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindlichen Elemente aus Phototransistoren bestehen, deren Basis-Kollektor-Uebergang durch den erwähnten gleichrichtenden Uebergang" gebildet wird. 12. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine Aufnahmeröhre ist, die eine Elektronenquelle enthält, die einen Elektronenstrahl erzeugen kann, mit dem eine Auftreffplatte abgetastet werden kann,

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die durch den erwähnten Halbleiterkörper gebildet wird*

13. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Substrat von einen Leitfähigkeitstyp ausgegangen wird, in dem an eitler Oberfläche durch selektives Aetzen an der Stelle der 2u bildenden strahlungsempfindlichen Elemente Hohlräume angebracht werden, wonach auf dieser Oberfläche durch epitaktisches Anwachsen eine Halbleiterschicht vom einen Leitfähigkeitstyp mit niedrigerer Dotierung als das Substrat angebracht wird, wonach in oder auf den über den Hohlräumen liegenden Teilen der epitaktischen Schicht der gleichrichtende Uebergang gebildet wird und dü.eweiteren zu den s trahlungs empfindlichen Elementen gehörigen Halbleiterzonen angebracht werden. '

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Anbringen der epitaktischen Schicht eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, wodurch die dotierende Verunreinigung von dem Substrat in die epitaktische Schicht hineindiffundiert.

15· Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Anwachsen die epitaktische Schicht abgeschliffen wird, bis zwischen den Hohlräumen das Substrat erreicht ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem ein nleitendes Substrat angewandt wird, dadurch gekennzeichnet,

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• dass nach, dem Anwachsen wenigstens das Substrat durch ein elektrolytisches Aetzverfahren entfernt wird. 17« Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12-, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Substrat vom einen Leitfähigkeitstyp ausgegangen wird, das an einer Oberfläche mit einer Maskierungsschicht versehen wird, in die örtlich Fenster geätzt werden, wonach durch Erhitzung die dotierende Verunreinigung über die Fenster teilweise aus dem Substrat ausdiffundiert wird, damit niedriger dotierte Zonen unter den Fenstern gebildet werden, wonach in oder auf diesen Zonen der gleichrichtende Uebergang gebildet wird und die weiteren zu den strahlungsempfindlichen Elementen gehörigen Halbleiterzonen angebracht werden.

18, Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper nach dem Anbringen der strahlungsempfindlichen Elemente auf der von den Elementen abgekehrten Seite durch eine Behandlung zur Entfernung von Material auf eine Gesamtdicke herabgesetzt wird, die höchstens" gleich der Absorptionslänge der Strahlung im Substrat ist, für die die Elemente empfindlich sind.

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