DE4407730A1 - Halbleiterdetektor für kurzwellige Strahlung und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Halbleiterdetektor für kurzwellige Strahlung und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterdetektor für kurzwellige Strahlung, insbe
sondere für UV-Licht, sowie das Verfahren zu dessen Herstellung vorzugsweise
in Si-CMOS-Technologie. Ein solcher Detektor ist beispielsweise als UV-
Erythem-Reizschwellendetektor mit einer spektralen Bandbreite von 290 nm bis
330 nm und der Nachweiswellenlänge von 310 nm verwendbar. Weitere
Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich bei entsprechender Dimensionierung
des strahlungsempfindlichen Bereichs auf dem Gebiet der UV-Spektroskopie
oder im visuellen Bereich auf dem Gebiet der Farbmetrik.
Infolge der Absorption von UV-Strahlung kommt es im Gewebe des menschli
chen Körpers wie z. B. der Haut oder dem Auge in Abhängigkeit von der
spektralen Eindringtiefe zu photochemischen Reaktionen. Zur Erzielung eines
biologischen Effekts muß ein Bestrahlungsschwellwert überschritten sein, der
mit einer Schwellbestrahlungsdauer verbunden ist. Als biologische Effekte seien
hier gesundheitsschädigende Wirkungen wie UV-Erythem, Photokarziogenese,
Photokonjuktivitis und Photokeratitis genannt. Da die UV-Erythem-Wirkungs
funktion die der anderen biologischen Effekte einschließt, ist weiter unten
beispielsweise ein Detektor mit integrierter Signalverstärkung und Akkumulator
angegeben, der eine schmalbandige spektrale Empfindlichkeit mit seinem
Maximum in der Nähe der UV-Erythem-Reizschwelle von 310 nm besitzt,
minimal ca. 50 J/m nachweist und im übrigen Spektralbereich unempfindlich
ist.
Bei vielen Anwendungen der Meß-, Steuer- und Regelungstechnik werden
spektral empfindliche Halbleiterbauelemente mit einem p-n-Übergang einge
setzt. Mit ihrer Hilfe lassen sich zum Beispiel Strahlungsdosimeter herstellen. Die
spektrale Strahlungsempfindlichkeit läßt sich auf verschiedene Art und Weise
realisieren.
So wird beispielsweise in der DE-OS 30 12 523 und in H. -G. Graf, G. Zimmer,
"Ion-Implanted MOS-Technology Compatible Photodides", Sensors and
Actuators, 3 (1982/83), 129-136 eine Si-MOS-Photodiode zur Detektion elek
tromagnetischer Strahlung verwendet. Bei einer solchen Diode werden die op
tisch erzeugten Elektronen-Lochpaare durch das lokale elektrische Feld der
Raumladungszone räumlich getrennt, so daß eine Photospannung bzw. ein Pho
tostrom an den Elektroden entsteht. Bei einer pin-Diode ist der Raumladungsbe
reich so weit ausgedehnt, daß nahezu alle einfallenden Photonen im Raumla
dungsgebiet absorbiert werden. Die spektrale Empfindlichkeit wird in der DE-OS
30 12 523 durch gemeinsame Verkapselung des strahlungsempfindlichen
Halbleiterchips mit einem korrigierenden Filterglas in einem transparenten
Kunststoff erreicht. Die Nachteile der auf diese Weise realisierten Bauelemente
sind hohe Fertigungs- und Montagekosten sowie mangelhafte Miniaturisierungs-
und Integrationsmöglichkeit.
In der DE-OS 31 01 700 wird eine Photodiode zum Nachweis und/oder zur In
tensitätsmessung vorzugsweise monochromatischer elektromagnetischer
Strahlung angegeben. Ziel dieser Erfindung sind Photodioden mit solchen opti
schen Eigenschaften, durch welche die bei konventionellen Photodioden durch
unvollständige Absorption im Sperrbereich auftretenden Umwandlungsverluste
und die Reflexionsverluste der Strahlungsenergie für einen vorgegebenen Wel
lenlängenbereich weitgehend aufgehoben werden. Dies wird erreicht, indem der
Halbleiter mit einer Interferenzschichtfolge hohen Reflexionsgrades hinterlegt ist
und eine in Strahlungsrichtung gemessene optische Dicke von n × d = in × λ/4
aufweist, wobei λ die gewünschte Nachweis-Wellenlänge ist, bei welcher der
Absorptionskoeffizient den Wert k annimmt, n die Brechzahl des Halbleiters bei
der Wellenlänge λ und m eine ganze Zahl in der Nähe des Wertes 2/π × k ist. Mit
dieser Lösung werden zwar die Mängel gegenüber der DE-OS 30 12 523
beseitigt, jedoch werden halbleiterfertigungstechnische Bedingungen zur
Realisierbarkeit des Detektors, wie Diffusion von Metallionen, nicht berücksich
tigt. Weiterhin wird hier keine Lösung zur Erhöhung der spektralen Empfindlich
keit des Halbleiterbauelementes im UV-Bereich bei gleichzeitiger drastischer
Senkung im visuellen und NIR-Bereich angegeben.
In der DE-OS 34 26 226 sind ein UV-empfindliches Photoelement und ein
Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben. Es besteht aus einem p-n-Material,
wobei die dem einfallenden Licht ausgesetzte p-dotierte Oberflächenzone
netzartig ausgebildet ist, so daß die mit n-dotiertem Substratmaterial verbunde
nen inselförmigen Halbleiterbereiche die Lücken der netzartig ausgebildeten
Oberflächenzone ausfüllen. Durch diese Vergrößerung der Oberflächenzone
wird eine Empfindlichkeitserhöhung für kurzwelliges Licht erzielt. Die Empfind
lichkeitsverteilung im übrigen Spektralbereich ändert sich dadurch nicht, so daß
mit dieser technischen Lösung keine Unterdrückung der längerwelligen Strah
lung möglich ist.
In der EP 296 371 sind ein Photodetektor für UV-Strahlung und ein Verfahren zu
dessen Herstellung angegeben. Der Photodetektor weist eine vorderseitige
Halbleiterstruktur mit unterschiedlich dotierten Bereichen in einem Substrat auf,
wobei das wirksame Detektorvolumen durch eine im Substrat erzeugte
Potentialschwelle in einer der Eindringtiefe des kurzwelligen Teils der Strahlung
entsprechenden Tiefe begrenzt ist. Diese Begrenzung des wirksamen Detektor
volumens in der Tiefe bewirkt eine höhere spektrale Empfindlichkeit im UV-Be
reich gegenüber der im visuellen und nahen Infrarotbereich. Die Potential
schwelle wird durch eine flache Diffusion oder durch eine dementsprechende
Ionenimplantation von Fremdatomen im Halbleitersubstrat in der Weise erzeugt,
daß die Generation und Trennung von Ladungsträgern nur in einer Tiefe von
50 nm bis 300 nm erfolgen kann. Langwellige Infrarotstrahlung passiert diesen
Bereich und führt zur Rekombination im Substrat. Da für den sichtbaren Spek
tralbereich dieser flach dotierte bzw. implantierte Halbleiterbereich bereits schon
eine endliche Absorption aufweist, kann eine Restempfindlichkeit des Detektors
in diesem Bereich nicht beseitigt werden. Des weiteren sind geringe Dotierungs
tiefen von 50 nm bis 150 nm zwar theoretisch denkbar, jedoch praktisch nicht
realisierbar und steuerbar, da sich die Fremdatome nach dem Dotierungs- bzw.
Implantationsprozeß auf Zwischengitterplätzen befinden und somit eine Wärme
behandlung des Halbleiters erforderlich ist, die eine Ausdiffusion aus diesem ge
ringen Bereich bewirkt. Somit können mit diesem Verfahren praktisch nur
Dotierungs- bzw. Implantationsprofile mit einer Tiefe ab etwa 150 nm erzeugt
werden, wobei die exakte Steuerung der Tiefe problematisch ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiter-Detektor mit hoher spektraler
Empfindlichkeit im kurzwelligen, insbesondere im UV-Bereich, und minimaler
Empfindlichkeit im visuellen (VIS) und nahen Infrarotbereich (NIR) anzugeben,
der ein wirksames Detektorvolumen aufweist, dessen Tiefe scharf begrenzt und
bei der Herstellung auf einfache Weise bis auf einen Minimalwert von weniger als
10 nm exakt einstellbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den Ansprüchen 1 oder 2
angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Halbleiter-
Detektors sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Halbleiter-Detektor besteht aus einem Substrat mit einer
vorderseitig angeordneten dünnen Halbleiterschicht und einer zwischen Halblei
terschicht und Substrat befindlichen isolierenden Zwischenschicht. Alternativ
kann das Substrat aus einem Isolator bestehen, so daß keine isolierende
Zwischenschicht notwendig ist.
Der Halbleiter-Detektor enthält einen Photodetektor (z. B. als Photodiode),
dessen unterschiedlich dotierte Bereiche und wirksames Detektorvolumen in
einem Bereich der Halbleiterschicht lateral nebeneinander angeordnet sind
(strahlungsempfindlicher Bereich). Weitere Bestandteile des Photodetektors, wie
z. B. das Gate im Falle einer MOS-Struktur des Photodetektors, können auf der
Halbleiterschicht aufgebracht sein. Unter dem wirksamen Detektorvolumen ist
hier das Volumen zu verstehen, dessen durch die einfallende Strahlung erzeugte
Ladungsträger zum Meßsignal des Photodetektors beitragen.
Das wirksame Detektorvolumen erstreckt sich erfindungsgemäß über die
gesamte Dicke der Halbleiterschicht, so daß es in der Tiefe durch die isolierende
Zwischenschicht oder durch ein isolierendes Substrat exakt begrenzt ist. Die
Dicke der Halbleiterschicht entspricht ungefähr der Eindringtiefe der einfallenden
kurzwelligen Strahlung des nachzuweisenden Wellenlängenbereichs in diese
Schicht. So entspricht die Eindringtiefe der Strahlung in eine Si-Schicht bei einer
Wellenlänge von 400 nm etwa 220 nm, bei einer Wellenlänge von 300 nm etwa
40 bis 50 nm und bei einer Wellenlänge von 250 nm etwa 30 nm. Unter der Ein
dringtiefe ist hier die Tiefe zu verstehen, bei der nahezu 100% der einfallenden
Strahlung absorbiert sind.
Da nur die im wirksamen Detektorvolumen erzeugten Ladungsträger zum
Ausgangssignal beitragen, wird der längerwellige Teil der Strahlung, der den
weitaus größten Teil seiner Energie aufgrund der größeren Eindringtiefe
außerhalb des wirksamen Detektorvolumens abgibt, nicht detektiert.
Die Grundstruktur des erfindungsgemäßen Halbleiterdetektors, bestehend aus
Substrat, Halbleiterschicht und evtl. isolierender Zwischenschicht, kann bei
spielsweise in SOI-Technik gefertigt sein, vorzugsweise durch Implantation von
Sauerstoff (SIMOX-Prozeß) oder Stickstoff in ein Si-Substrat, durch Wafer
bonding oder mittels SOS-Technik.
Der erfindungsgemäße Halbleiterdetektor weist aufgrund der geringen Tiefe des
wirksamen Detektorvolumens eine hohe Empfindlichkeit im kurzwelligen (UV)
und eine sehr geringe Empfindlichkeit im längerwelligen (VIS, NIR)
Spektralbereich auf. Die längerwellige Strahlung, die im Substrat absorbiert wird
und dort Ladungsträger erzeugt, trägt nicht zum Meßsignal bei, da
erfindungsgemäß Substrat- und Halbleiterschicht durch eine Zwischenschicht
oder durch das Substrat (als Isolator) selbst elektrisch voneinander isoliert sind.
Da sich erfindungsgemäß das wirksame Detektorvolumen über die gesamte
Dicke der Halbleiterschicht erstreckt, ist die Begrenzung des Detektorvolumens
in vorteilhafter Weise über eine Steuerung der Dicke der Halbleiterschicht bei der
Herstellung des Detektors exakt möglich. Das wirksame Detektorvolumen wird
in der Tiefe durch die Isolationszwischenschicht oder ein isolierendes Substrat
scharf begrenzt.
Die Dicke der Halbleiterschicht läßt sich beispielsweise bei einem SOI-Halbleiter
substrat durch gezieltes Rückätzen mit hoher Genauigkeit einstellen. Halbleiter
schichten ab einer Dicke von etwa 5 nm sind damit realisierbar.
Der erfindungsgemäße Halbleiterdetektor kann somit durch geeignete Wahl der
Schichtdicke der Halbleiterschicht auch an Wellenlängen, deren Eindringtiefe
deutlich unter 150 nm liegt, exakt angepaßt werden.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterdetek
tors ist auf den strahlungsempfindlichen Bereich der Halbleiterschicht ein Interfe
renzschichtstapel aufgebracht (Anspruch 4), der als spektraler Bandpaß mit
maximaler Transmission für die Zentralwellenlänge λ des nachzuweisenden
Wellenlängenbereichs wirkt.
Durch den Interferenzschichtstapel wird in erster Linie die untere Bandkante des
nachzuweisenden Wellenlängenbereichs eingestellt, während die obere
Bandkante durch die Dicke der Halbleiterschicht und damit des wirksamen
Detektorvolumens bestimmt wird.
Der Schichtstapel besteht vorzugsweise aus abwechselnd metall- und dielektri
schen-Schichten mit Schichtdicken von etwa λ/4. Weiterhin enthält der Interfe
renzschichtstapel eine untere λ/2-Schicht als Schutzschicht des Photodetektors
(Anspruch 5). Die oberste dielektrische λ/4-Schicht dient gleichzeitig als Passi
vierung des Detektors.
Durch die exakte Einstellbarkeit der Schichtdicke der Halbleiterschicht kann
diese innerhalb der durch die Eindringtiefe gesetzten Grenzen so gewählt
werden, daß die Interferenzbedingung für minimale Reflexion im Wellenlängen
bereich der nachzuweisenden Strahlung erfüllt ist (Anspruch 3). Damit bildet die
Halbleiterschicht des Photodetektors selbst einen Teil des Interferenzschichtsta
pels.
Mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterdetektor läßt sich somit ein schmalbandi
ger Detektor für den UV-Bereich realisieren, dessen spektrale Bandbreite über
die Dicke der Halbleiterschicht und die Schichtfolge und Schichtdicken der Inter
ferenzschichten eingestellt wird. Ein solcher Detektor kann z. B. mit einer maxima
len Empfindlichkeit im Spektralbereich von 290 nm bis 330 nm für eine Nach
weiswellenlänge von 310 nm ausgeführt werden, der Unempfindlichkeit im vi
suellen und nahen Infrarotbereich besitzt.
Bei entsprechender Wahl der Dicke der Halbleiterschicht im strahlungsempfind
lichen Bereich sowie des Interferenzschichtstapels sind natürlich auch Meßauf
gaben im visuellen Bereich auf dem Gebiet der Farbmetrik erfüllbar.
Um geringe Strahlungsdichten wie 50 J/m² nachzuweisen, ist ein Signalverstär
ker mit einem Dynamikumfang von mindestens vier Dekaden sowie ein Akkumu
lator vorzugsweise in einem anderen Bereich der Halbleiterschicht integriert
(Ansprüche 16 und 18). Dieser andere Bereich kann die gleiche oder auch eine
andere, insbesondere größere Schichtdicke aufweisen als der strahlungsem
pfindliche Bereich. Zur integrierbaren Auswerteelektronik gehören weiterhin bei
spielsweise ein Analog-Digital-Wandler, eine digitale Kennlinienkorrektureinheit,
eine Temperaturkompensation und eine Schwellwertlogik. Die Isolation der ver
schiedenen Bereiche der Halbleiterschicht voneinander wird vorzugsweise
durch LOCOS-Oxid bewirkt (Anspruch 14).
Die Auswerteelektronik kann auch im Falle eines Halbleitersubstrates in dieses
integriert sein (Anspruch 17).
Vorteilhafte Ausführungsformen zur Ausgestaltung des Photodetektors sind in
den Ansprüchen 7 bis 10 angegeben.
So kann der Photodetektor eine pin-Diode sein, die aus in der Halbleiterschicht
angeordneten p- und n-Bereichen besteht (Anspruch 8).
Bei einer pin-Diode als Photodetektor (Anspruch 7) sind in die Halbleiterschicht
p⁺- und n⁺-Bereiche mit einer ohmschen Kontaktierung und einem quasiintrin
sisch leitenden i-Bereich als wirksamem Detektorvolumen eingebracht. Die
Dicke der Halbleiterschicht beträgt für den UV-Bereich vorzugsweise zwischen
30 nm und 100 nm.
Der Photodetektor kann gemäß Anspruch 9 auch aus einer MOS-Struktur
bestehen, die in der Halbleiterschicht angeordnet ist, wobei das für die Strahlung
durchlässige Gate vorderseitig auf der Halbleiterschicht aufgebracht und von
dieser isoliert ist, und das wirksame Detektorvolumen einen elektrischen, von
der Intensität der Strahlung abhängigen Widerstand zwischen Source- und
Drainleitung bildet.
Nach Anspruch 10 wird in der Halbleiterschicht eine Schottky-Diode als Photo
detektor realisiert, die aus einer in die Halbleiterschicht eingebrachten n-Dotie
rung und als Gegenelektrode angrenzend eingebrachten n⁺-Bereichen besteht,
die außerhalb des strahlungsempfindlichen Bereichs ohmsch-kontaktiert sind,
wobei die n-Dotierung vorderseitig mit einem auf der Halbleiterschicht aufge
brachten Schottky-Kontakt abgeschlossen ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß Substratmaterial unterhalb
des strahlungsempfindlichen Bereichs zumindest teilweise zu entfernen
(Anspruch 11), um die Umwandlung von Strahlung in Wärmeenergie durch Ab
sorption längerwelliger Strahlung und die damit verbundene Erwärmung des
Detektors zu minimieren. Gleichzeitig werden dadurch die ansonsten unver
meidlichen Rückreflexionen transmittierter Strahlung (vor allem im VIS- und NIR-
Bereich) an der Grenzfläche zum Substrat vermieden. Zur Vermeidung der
Rückreflexionen an der Grenzfläche zu Luft kann auch gemäß Anspruch 12 eine
Absorptionsschicht für längerwellige Strahlung rückseitig auf die freigelegte Iso
lationsschicht aufgebracht werden.
Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterdetektors und das
Verfahren zu dessen Herstellung (Ansprüche 19 bis 21) sollen nachstehend am
Beispiel des UV-Erythem-Reizschwellendetektors für den Wellenlängenbereich
von 290 nm bis 330 nm in Verbindung mit den Zeichnungen (Fig. 1 und Fig.
2) näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau des erfindungsgemäßen
Halbleiterdetektors.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel für die Auswerteelektronik einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterdetektors.
Der Halbleiterdetektor kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden, ein
Halbleiterdetektor nach Anspruch 2 beispielsweise mittels SOS-Technik.
Der Halbleiterdetektor nach Anspruch 1 wird beispielsweise auf einem SIMOX-
Halbleitersubstrat realisiert. Dieses wird mit einer Sauerstoffimplantation von
1,8 × 10 ¹⁸cm-2O⁺ bei 200 keV in ein Si-Halbleitersubstrat, vorzugsweise in
mehreren Teildosisimplantationsschritten, und einer anschließenden Ausheilung
bei 1300°C bis 1400°C und 2 bis 6 Stunden in Ar/O₂-Atmosphäre hergestellt.
Durch Oxidation und Rückätzung wird eine Si-Filmdicke (3) von etwa 60 nm für
den strahlungsempfindlichen Bereich und die CMOS-Elektronik (Auswerteelek
tronik) in einem Schritt eingestellt. Spezifische unterschiedliche Si-Filmdicken für
strahlungsempfindlichen Bereich und CMOS-Auswerteelektronik werden mit
einer zusätzlichen selektiven Oxidation und Rückätzung justiert.
In Fig. 1 ist die Struktur des beispielhaften Halbleiterdetektors mit einer pin-Di
ode als Photodetektor und einem Teil der integrierten Auswerteelektronik (die
Figur enthält als Beispiel nur zwei Transistoren der Auswerteelektronik) darge
stellt.
Im Si-Film (3) werden alle aktiven Bauelemente, Photodetektor und CMOS-
Auswerteelektronik (10), hergestellt. Unterhalb des Si-Filmes entsteht nach der
Ausheilung die vergrabene Oxidfilmdicke (2) von 400 nm. Bei Verwendung eines
Waferbonding-Verfahrens (statt SIMOX-Prozeß) könnte die Oxidfilmdicke
wahlweise auf 50 nm bis 2000 nm eingestellt werden.
Die laterale Isolation der Aktivelemente wird durch lokale Oxidation (LOCOS) des
Si-Filmes (3) erreicht.
Die Justage der Schwellspannung für die in Fig. 1 gezeigten NMOS- und
PMOS-Transistoren der Auswerteelektronik (10) erfolgt vor der Poly-Si-Gate-
Herstellung durch B- und As-Implantation selektiv über Lackmasken. Unter
Nutzung dieser Implantationsschritte im Dosisbereich 1 E11 bis 3 E12 cm-2 kann
je nach Dotierung des SOI-Ausgangssubstrates wahlweise ohne zusätzliche
Masken das i-Gebiet (7) der pin-Diode schwach n oder p-dotiert werden. Die
Dicke und Dotierung des i-Gebietes (7) wird für die nachzuweisende Bandbreite
der elektromagnetischen Strahlung von 290 nm bis 330 nm auf 60 nm und eine
n-Dotierung des i-Gebietes von 1 E15 cm-3 eingestellt. Die besten Rauscheigen
schaften werden mit hochohmigen Si-Substraten ohne zusätzliche Implantatio
nen in das i-Gebiet erreicht. Nach der Poly-Si-Gate-Herstellung werden durch
P (NMOS-LDD, 30-40 keV, 1 E13 cm-2), As (NMOS-N⁺, 80 keV, 5 E15 cm-2)
und BF₂ (PMOS-P⁺, 80 keV, 3 E15 cm-2) Implantation und Ausheilung die
Source- und Drain-Gebiete hergestellt. Mit der As- und BF₂-Implantation werden
ohne zusätzliche Masken gleichzeitig die N⁺-Kathoden- und P⁺-Anodengebiete
(4, 5) der pin-Diode des Detektors hergestellt. Der NMOS-Transistor für die
Auswerteelektronik (10) wird als LDD-Transistor ausgeführt.
Eine 20 nm bis 50 nm dicke Ti-Salicide-Schicht (TiSi₂) wird auf alle N+- und P⁺-
Gebiete der pin-Diode und der Auswerteelektronik durch Ti-Sputtern, Tempern
und selektives Ätzen aufgebracht. Dadurch wird der Schichtwiderstand der ex
trem dünnen N⁺- und P⁺-Filmgebiete auf 2 bis 5 Ohm/sq reduziert.
Nach Aufbringen einer BPSG-Isolationsschicht wird die AlSi- oder AlSiCu-
Verdrahtung (9) mit TiN-Barriere des gesamten UV-Erythem-Reizschwellende
tektors hergestellt. Bei der Kontaktfensterätzung wird gleichzeitig die Isolations
schicht über dem wirksamen Detektorvolumen (7) der pin-Diode entfernt.
Ebenso wird bei der abschließenden Strukturierung der Endpassivierung das
wirksame Detektorvolumen (7) freigelegt. Dieses kann wahlweise auch über eine
zusätzliche Maske in einem separaten Ätzschritt erfolgen.
Danach wird in das freigelegte Fenster des Aktivgebietes der Interferenz
schichtstapel (11) bestehend aus 320 nm bis 340 nm SiO₂, 10 bis 15 nm AI,
180 nm SiO₂, 10 bis 15 nm Al und 90 nm SiO₂ oder wahlweise bestehend aus
40 nm Si₃N₄, 70 nm SiO₂, 40 nm Si₃N₄ und 70 nm SiO₂ aufgebracht und mit
einem Trockenätzverfahren strukturiert.
Da sich die temperaturempfindliche Wirkung einer nach dem beschriebenen
Verfahren hergestellen pin-Diode als Detektor auf einem kleinen Volumenbereich
mit einer pin-Diodenfläche von einigen 100 × 100 µm² beschränkt, sollte das
Trägervolumen der Diode eine möglichst kleine Wärmekapazität besitzen. Dazu
wird in einer vorteilhaften Variante die Rückseite des Substrates (1) unterhalb
des Aktivgebietes (8) der pin-Diode einer Ätzbehandlung unterworfen und der
Raumbereich unterhalb des Aktivgebietes (8) aus dem Substrat herausgeätzt (in
Fig. 1 gestrichelt gezeichnet). Dabei wird der Oxidfilm (2) als Ätzstop verwen
det. Dieses bewirkt gleichzeitig eine Reduzierung der an den Grenzflächen zum
Substrat ansonsten unvermeidlichen Rückreflexionen der transmittierten Strah
lung in das Detektorgebiet.
Die Signalauswertung erfolgt mit der in Fig. 2 gezeigten Auswerteelektronik
über eine Umsetzung des Photostroms in eine äquivalente Spannung mittels
eines Meßverstärkers (12). Der Dynamikumfang von mindestens 4 Dekaden er
fordert eine automatische Bereichsumschaltung. Diese kann über eine Rück
kopplungsimpedanz erfolgen. Als Rückkopplungsimpedanz können Wider
stände oder geschaltete Kondensatoren verwendet werden. Das Ausgangs
signal des Meßverstärkers wird über einen Analog-Digital-Wandler (13) umge
setzt und nach einer digitalen Kennlinienkorrektur (14) in einem Akkumulator
(15) aufintegriert. Eine zusätzlich integrierte Temperaturkompensation des De
tektorsignals ist in jedem Fall erforderlich, wenn das Substratmaterial unterhalb
des Detektors nicht entfernt wird. Sie kann sowohl hinter dem Meßverstärker wie
auch nach der Analog-Digital-Umsetzung erfolgen. Der Akkumulator übernimmt
die Integration des Detektorsignals und somit die eigentliche Bestimmung der
Strahlungsdosis. Eine Rücksetzung des Akkumulators kann sowohl nach 24
Stunden über eine ebenfalls integrierte Uhr oder auch über einen von außen zu
bediendenden Resetschalter erfolgen.
Claims (22)
1. Halbleiterdetektor für kurzwellige Strahlung, insbesondere im UV-Bereich,
der aus einem Substrat (1) mit einer vorderseitig angeordneten Halbleiter
schicht (3) besteht, die Bestandteile eines Photodetektors in Form von un
terschiedlich dotierten Bereichen (4, 5) und einem wirksamen Detektorvo
lumen (7) enthält, wobei das wirksame Detektorvolumen in einer Tiefe be
grenzt ist, die der Eindringtiefe der vorderseitig einfallenden Strahlung (6)
des nachzuweisenden Wellenlängenbereiches in das Detektorvolumen
entspricht, und weitere Bestandteile des Photodetektors vorderseitig auf
der Halbleiterschicht aufgebracht sein können,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- - Substrat (1) und Halbleiterschicht (3) sind durch eine elektrisch isolie rende Zwischenschicht (2) voneinander getrennt;
- - die unterschiedlich dotierten Bereiche (4, 5) und das wirksame Detek torvolumen (7) sind in einem ersten Bereich (8) der Halbleiterschicht la teral nebeneinander angeordnet;
- - das wirksame Detektorvolumen (7) erstreckt sich über die gesamte Dicke der Halbleiterschicht (3) im ersten Bereich (8), so daß es in der Tiefe durch die isolierende Zwischenschicht (2) begrenzt ist.
2. Halbleiterdetektor für kurzwellige Strahlung, insbesondere im UV-Bereich,
der aus einem Substrat (1) mit einer vorderseitig angeordneten Halbleiter
schicht (3) besteht, die Bestandteile eines Photodetektors in Form von un
terschiedlich dotierten Bereichen (4, 5) und einem wirksamen Detektorvo
lumen (7) enthält, wobei das wirksame Detektorvolumen in einer Tiefe be
grenzt ist, die der Eindringtiefe der vorderseitig einfallenden Strahlung (6)
des nachzuweisenden Wellenlängenbereiches in das Detektorvolumen
entspricht, und weitere Bestandteile des Photodetektors vorderseitig auf
der Halbleiterschicht aufgebracht sein können,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- - das Substrat (1) besteht aus einem Isolator;
- - die unterschiedlich dotierten Bereiche (4, 5) und das wirksame Detek torvolumen (7) sind in einem ersten Bereich (8) der Halbleiterschicht la teral nebeneinander angeordnet;
- - das wirksame Detektorvolumen (7) erstreckt sich über die gesamte Dicke der Halbleiterschicht (3) im ersten Bereich (8), so daß es in der Tiefe durch den Isolator (1) begrenzt ist.
3. Halbleiterdetektor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Halbleiterschicht (3) im ersten Bereich (8) so gewählt ist,
daß die Interferenzbedingung für minimale Reflexion im Wellenlängenbe
reich der nachzuweisenden Strahlung an der vorderseitigen Eintrittsfläche
in die Halbleiterschicht erfüllt ist.
4. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf den Photodetektor über dem wirksamen Detektorvolumen (7)
mehrere übereinanderliegende Interferenzschichten (11) aufgebracht sind,
die als spektraler Bandpaß wirken und eine maximale Transmission für den
Wellenlängenbereich der nachzuweisenden Strahlung aufweisen.
5. Halbleiterdetektor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Interferenzschichten (11) abwechselnd metall- und dielektrische
Schichten sind, die eine Dicke von etwa λ/4 aufweisen, wobei die unterste
Schicht als Schutzschicht dient und eine Dicke von etwa λ/2 aufweist.
6. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf den Photodetektor über dem ersten Bereich (8) der Halbleiter
schicht (3) eine dielektrische Schutzschicht aufgebracht ist.
7. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Photodetektor eine pin-Diode ist, bestehend aus in der Halbleiter
schicht (3) angeordneten p⁺- und n⁺-Bereichen mit einer ohmschen
Kontaktierung und einem quasiintrinsisch leitenden i-Bereich als wirksa
men Detektorvolumen (7), wobei die Dicke der Halbleiterschicht (3) zwi
schen 30 nm und 100 nm beträgt.
8. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Photodetektor eine pn-Diode ist, bestehend aus in der Halbleiter
schicht (3) angeordneten p- und n-Bereichen.
9. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Photodetektor aus einer MOS-Struktur besteht, die in der Halblei
terschicht (3) angeordnet ist, wobei das für die Strahlung durch lässige
Gate vorderseitig auf der Halbleiterschicht aufgebracht und von dieser iso
liert ist, und das wirksame Detektorvolumen (7) einen elektrischen, von der
Intensität der Strahlung abhängigen Widerstand zwischen Source- und
Drainleitung bildet.
10. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Photodetektor aus einer in die Halbleiterschicht (3) eingebrachten
n-Dotierung und als Gegenelektrode angrenzend eingebrachten n + -Berei
chen besteht, die außerhalb des ersten Bereichs (8) ohmsch-kontaktiert
sind, wobei die n-Dotierung vorderseitig mit einem auf der Halbleiterschicht
(3) aufgebrachten Schottky-Kontakt abgeschlossen ist.
11. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (1) im Bereich unterhalb des wirksamen Detektorvolu
mens (7) eine rückseitige Ausnehmung aufweist.
12. Halbleiterdetektor nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch die rückseitige Ausnehmung ein Bereich der Isolationsschicht
(2) freigelegt und darauf rückseitig eine Absorptionsschicht aufgebracht ist.
13. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterschicht (3) aus Silizium besteht, das mittels SOI-Technik
auf das Substrat (1) aufgebracht wurde.
14. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die in der Halbleiterschicht (3) befindlichen Bestandteile des Photode
tektors lateral durch LOCOS-Oxid von den weiteren Bereichen der Halblei
terschicht isoliert sind.
15. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (1) ein Halbleitersubstrat und die Isolationsschicht (2) ei
ne Oxid-Schicht ist.
16. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem zweiten Bereich der Halbleiterschicht (3), der die gleiche oder
eine andere Schichtdicke wie der erste Bereich (8) aufweisen kann, eine
Auswerteelektronik (10) für den Photodetektor integriert ist.
17. Halbleiterdetektor nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Bereich des Halbleitersubstrates (1) eine Auswerteelektronik
für den Photodetektor integriert ist.
18. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteelektronik (10) einen Meßverstärker (12), einen Analog-
Digital-Wandler (13), eine digitale Kennlinienkorrektureinheit (14), einen Ak
kumulator (15), eine Temperaturkompensation und eine Schwellwertlogik
aufweist.
19. Verfahren zur Herstellung des Halbleiterdetektors nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- - Bereitstellen eines SOl-Halbleitersubstrates, beispielsweise erzeugt mit tels SIMOX-Prozeß;
- - exaktes Einstellen der Dicke der vorderseitigen Siliziumhalbleiterschicht (3) entsprechend der Eindringtiefe der nachzuweisenden Strahlung durch Oxidation und Rückätzung;
- - Herstellung der unterschiedlich dotierten Bereiche in der Halbleiter schicht (3) durch Implantation und nachfolgende Ausheilung;
- - laterale Isolation der Aktivelemente durch lokale Oxidation (LOCOS);
- - Aufbringen einer Isolationsschicht;
- - Kontaktfensterätzung;
- - Herstellung der Verdrahtung (9);
- - Wegätzen der Isolationsschicht über dem wirksamen Detektorvolumen (7);
- - wahlweises Aufbringen eines Interferenzschichtstapels (11) oder einer dielektrischen Schutzschicht über dem wirksamen Detektorvolumen.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich in die Rückseite des Substrates (1) im Bereich unterhalb des
wirksamen Detektorvolumens (7) eine Ausnehmung geätzt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich in einem zweiten Bereich der Halbleiterschicht (3) die
Halbleiterstrukturen für die Auswerteelektronik (10) eingebracht werden.
22. Verwendung des Halbleiterdetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur
Bestimmung der Strahlungsdosis, insbesondere als UV-Erythem-Reiz
schwellendetektor.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4407730A DE4407730A1 (de) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | Halbleiterdetektor für kurzwellige Strahlung und Verfahren zu dessen Herstellung |
PCT/DE1995/000257 WO1995024738A1 (de) | 1994-03-08 | 1995-02-24 | Halbleiterdetektor für kurzwellige strahlung und verfahren zu dessen herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4407730A DE4407730A1 (de) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | Halbleiterdetektor für kurzwellige Strahlung und Verfahren zu dessen Herstellung |
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DE4407730A1 true DE4407730A1 (de) | 1995-09-14 |
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ID=6512184
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4407730A Withdrawn DE4407730A1 (de) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | Halbleiterdetektor für kurzwellige Strahlung und Verfahren zu dessen Herstellung |
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