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    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft einen Avalanche-Strahlungsdetektor, mit einem Halbleitersubstrat (HK) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS), einem Avalanche-Bereich (AB), der in dem Halbleitersubstrat (HK) an der Vorderseite (VS) des Halbleitersubstrats (HK) angeordnet ist, sowie mit einer Steuerelektrode (R) zur Einstellung der elektrischen Feldstärke in dem Avalanche-Bereich (AB). Es wird vorgeschlagen, dass die Steuerelektrode (R) ebenfalls an der Vorderseite des Halbleitersubstrats (HK) angeordnet ist.
    公开号:DE102004022948A1
    申请号:DE200410022948
    申请日:2004-05-10
    公开日:2005-12-15
    发明作者:Gerhard Dr. Lutz；Rainer H. Dipl.-Ing. Richter；Lothar Prof. Dr. Strüder
    申请人:Max-Planck-Gesellschaft zur Forderung der Wissenschaften；
    IPC主号:H01L31-0328
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft einen Avalanche-Strahlungsdetektor gemäß dem Oberbegriffdes Anspruchs 1.
    [0002] Einderartiger Strahlungsdetektor ist beispielsweise aus Curt Rint: "Handbuch für Hochfrequenz-und Elektrotechniker",12. Auflage, Hüthig undPflaum Verlag München/Heidelberg,Seite 478 bekannt. Hierbei befindet sich in einem planaren Halbleitersubstratauf einer Seite ein Avalanche-Bereich und auf der gegenüberliegendenSeite ein Strahlungseintrittsfenster für die zu detektierende Strahlung,die in dem Halbleitersubstrat freie Ladungsträger erzeugt. Die von der zudetektierenden Strahlung erzeugten freien Ladungsträger werdenin dem Avalanche-Bereich durch das dortige elektrische Feld beschleunigtund erzeugen lawinenartig neue Ladungsträger, was als Stromfluss detektierbar ist.Die elektrische Feldstärkein dem Avalanche-Bereich wird hierbei durch eine Steuerelektrodeeingestellt, die auf der dem Avalanche-Bereich gegenüber liegendenSeite des Avalanche-Strahlungsdetektors angeordnet ist.
    [0003] Nachteiligan dieser Anordnung der Steuerelektrode ist die Tatsache, dass mitzunehmender Dicke des Avalanche-Strahlungsdetektors und einer entsprechendenVergrößerung desAbstandes zwischen der Steuerelektrode und dem gegenüberliegendenAvalanche-Bereich auch entsprechende große Steuerspannungen eingesetztwerden müssen, umdie elektrische Feldstärkein dem Avalanche-Bereich auf den gewünschten Wert einzustellen.
    [0004] Einegenaue Einstellung der elektrischen Feldstärke in dem Avalanche-Bereichist jedoch wichtig, da bei einer zu geringen Feldstärke in dem Avalanche-Bereichdie Empfindlichkeit leidet, wohingegen das Rauschen mit der elektrischenFeldstärke indem Avalanche-Bereich zunimmt, da auch stochastisch generierte Ladungsträger zu einerLawinenbildung führenkönnen.
    [0005] Diemaximale Dicke des bekannten Avalanche-Strahlungsdetektors ist alsodurch die maximal zulässigeSteuerspannung an der Steuerelektrode begrenzt. Zur Erreichung einermöglichstgroßen Empfindlichkeitist es jedoch wünschenswert,dass der Avalanche-Strahlungsdetektor einen möglichst großvolumigen photosensitivenBereich aufweist, was jedoch aufgrund der vorstehend erwähnten Dickenbeschränkung nurbegrenzt möglichist. Eine Ausdehnung des photosensitiven Bereichs in lateraler Richtungist dagegen schwierig, da sich großflächige Avalanche-Bereiche wegender erforderlichen Strukturgenauigkeit der pn-Übergänge fertigungstechnisch kaumherstellen lassen.
    [0006] DerErfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Avalanche-Strahlungsdetektorzu schaffen, der eine verbesserte Empfindlichkeit ermöglicht.
    [0007] DieseAufgabe wird, ausgehend von dem vorstehend beschriebenen bekanntenAvalanche-Strahlungsdetektor gemäß dem Oberbegriffdes Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs1 gelöst.
    [0008] DieErfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, die Steuerelektrodezur Einstellung der elektrischen Feldstärke in dem Avalanche-Bereich nichtauf der dem Avalanche-Bereich gegenüberliegenden Seite des Avalanche-Strahlungsdetektors anzuordnen,sondern auf derselben Seite wie der Avalanche-Bereich. Dies bietet den Vorteil, dassaufgrund der räumlichenNähe derSteuerelektrode zu dem Avalanche-Bereich geringere Steuerspannungenausreichen, um die elektrische Feldstärke in dem Avalanche-Bereichauf den gewünschtenWert einzustellen. Darüberhinaus bietet diese Anordnung der Steuerelektrode den Vorteil, dassdie erforderlichen Steuerspannungen zur Einstellung der elektrischen Feldstärke in demAvalanche-Bereich durch die Dicke des Avalanche-Strahlungsdetektorsnicht beeinflusst werden. Der erfindungsgemäße Avalanche-Strahlungsdetektorkann deshalb wesentlich dicker sein, als der eingangs beschriebenebekannte Avalanche-Strahlungsdetektor,was aufgrund des vergrößerten photosensitivenBereichs zu einer entsprechend größeren Empfindlichkeit führt. Beispielsweisekann die Dicke des erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektorsim Bereich zwischen 30 μmund 1 mm liegen, wobei beliebige Zwischenwerte innerhalb diesesWertebereichs möglichsind.
    [0009] Vorzugsweiseumgibt die Steuerelektrode den Avalanche-Bereich ringförmig, wobeider Begriff einer ringförmigenAnordnung der Steuerelektrode nicht auf eine kreisförmige odersonstwie runde Gestaltung der Steuerelektrode beschränkt ist,sondern auch eine eckige Steuerelektrode umfasst, die den Avalanche-Bereich einschließt.
    [0010] Weiterhinwird in dem Halbleitersubstrat vorzugsweise ein elektrisches Driftfelderzeugt, das die von der zu detektierenden Strahlung generiertenLadungsträgerinnerhalb des Halbleitersubstrats zu dem Avalanche-Bereich bewegt.Auf diese Weise kann der photosensitive Bereich des Halbleitersubstratswesentlich größer alsder Avalanche-Bereich sein, wobei das Driftfeld sicher stellt, dassalle innerhalb des photosensitiven Bereichs erzeugten Ladungsträger zu demAva- lanche-Bereichgelangen und dort zur Lawinenbildung beitragen. Dies ermöglicht vorteilhafteinen großvolumigenphotosensitiven Bereich, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors beiträgt.
    [0011] DieErzeugung des Driftfeldes zur Bewegung der Ladungsträger zu demAvalanche-Bereich erfolgt vorzugsweise durch Elektrodenanordnungen,wie sie bei herkömmlichenDriftdetektoren bekannt sind. Beispielsweise können hierzu mehrere Sammelelektrodenvorgesehen sein, die den Avalanche-Bereich umgeben und das Driftfelderzeugen, wobei die Sammelelektroden vorzugsweise ringförmig undim Wesentlichen konzentrisch angeordnet sind.
    [0012] Vorzugsweiseist die Steuerelektrode bei dem erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektorentsprechend einem ersten Dotierungstyp dotiert, während dasHalbleitersubstrat entsprechend einem entgegengesetzten zweitenDotierungstyp dotiert ist. Bei dem ersten Dotierungstyp kann essich beispielsweise um eine p-Dotierung handeln, während derzweite Dotierungstyp aus einer n-Dotierung besteht. Es ist jedochalternativ auch möglich,dass der erste Dotierungstyp eine n-Dotierung ist, während der zweite Dotierungstypeine p-Dotierung ist.
    [0013] Beidem erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektortritt die zu detektierende Strahlung durch ein Strahlungseintrittsfensterin den Strahlungsdetektor ein, wobei das Strahlungseintrittsfenstervorzugsweise an der Rückseitedes Halbleitersubstrats angeordnet ist, also auf der dem Avalanche-Bereich gegenüberliegendenSeite. Diese Anordnung des Strahlungseintrittsfensters bietet den Vorteil,dass die zu detektierende Strahlung nicht durch die lichtundurchlässigen Strukturen(z. B. Verbindungsleitungen) auf der Seite des Avalanche-Bereichsabgeschattet wird.
    [0014] Vorzugsweiseist das Strahlungseintrittsfenster für die zu detektierende Strahlungwesentlich großflächiger alsder Avalanche-Bereich. Dies bietet den Vorteil, dass wesentlichmehr Strahlung detektiert werden kann als unmittelbar auf den Avalanche-Bereichfällt,wobei die durch die eingefallene Strahlung außerhalb des Avalanche-Bereichsgenerierten Ladungsträgervorzugsweise durch das vorstehend erwähnte Driftfeld zu dem Avalanche-Bereichgeleitet werden, um dort zu der Lawinenbildung beizutragen.
    [0015] Weiterhinweist der Avalanche-Bereich vorzugsweise einen in dem Halbleitersubstratvergrabenen und entsprechend dem ersten Dotierungstyp dotiertenHalbleiterbereich auf, wobei der vergrabene Halbleiterbereich vorzugsweisevon der Steuerelektrode ansteuerbar ist. Dieser vergrabene Halbleiterbereichbestimmt die elektrische Feldstärkein dem Avalanche-Bereichund damit den Multiplikationsfaktor des erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors.
    [0016] Ineiner Variante der Erfindung variiert die Dotierung des vergrabenenHalbleiterbereichs in lateraler Richtung hinsichtlich der Dotierungsstärke und/oderhinsichtlich der Tiefenausdehnung. Auf diese Weise kann die elektrischeFeldstärkein dem Avalanche-Bereich in lateraler Richtung beeinflusst werden,um eine möglichstgleichförmigeFeldstärkeverteilunginnerhalb des Avalanche-Bereichs zu erzielen.
    [0017] Dervergrabene Halbleiter-Bereich ist vorzugsweise vollständig verarmt,um zu verhindern, dass die in dem photosensitiven Bereich durchStrahlungseinwirkung generierten Ladungsträger in dem vergrabenen Halbleiterbereichrekombinieren, was eine Detektion verhindern würde. Außerhalb des Avalanche-Bereichs ist dervergrabene Halbleiterbereich dagegen vorzugsweise nur teilweiseverarmt, damit der vergrabene Halbleiterbereich dort eine Barrierefür diedurch Strahlungseinwirkung generierten Ladungsträger bildet.
    [0018] DerAvalanche-Bereich weist vorzugsweise eine Ausleseelektrode auf,die entsprechend dem zweiten Dotierungstyp dotiert ist, wobei essich vorzugsweise um eine n-Dotierung handelt.
    [0019] Vorzugsweiseist die Ausleseelektrode des Avalanche-Bereichs in einen niedrigerdotierten Halbleiterbereich desselben Dotierungstyps eingebettet.Dies bietet den Vorteil, dass sich die Durchbruchsfeldstärke im oberflächennahenBereich verringert.
    [0020] DieDotierung der Ausleseelektrode und/oder des Halbleiterbereichs inden die Ausleseelektrode eingebettet ist, kann hierbei in lateralerRichtung hinsichtlich der Dotierungsstärke und/oder hinsichtlich derTiefenausdehnung variieren. Dies ermöglicht innerhalb des Avalanche-Bereichsebenfalls eine gleichmäßige Feldstärkeverteilungin lateraler Richtung.
    [0021] Zurlateralen Variation der Dotierung besteht die Möglichkeit, dass sich die Ausleseelektrodeoder der Halbleiterbereich, in den die Ausleseelektrode eingebettetist, einerseits und der vergrabene Halbleiterbereich andererseitsin der Tiefe teilweise überlappen,wobei sich deren gegenteilige Dotierung mindestens teilweise kompensiert.
    [0022] Weiterhinist zu erwähnen,dass sich der vergrabene Halbleiterbereich in dem Halbleitersubstrat inlateraler Richtung bis unter die Steuerelektrode erstrecken kann.Dadurch wird erreicht, dass der Abstand zwischen der Steuerelektrodeund der Ausleseelektrode vergrößert werdenkann.
    [0023] DieSteuerelektrode kann hierbei direkt mit dem vergrabenen Halbleiterbereichleitend verbunden sein, jedoch besteht auch die Möglichkeit,dass der Anschluss der Steuerelektrode an den vergrabenen Halbleiterbereich über eineschwache Potentialbarriere erfolgt.
    [0024] Ander Rückseitedes Halbleitersubstrats und damit auf der dem Avalanche-BereichgegenüberliegendenSeite ist vorzugsweise eine Rückelektrodeangeordnet, um das Halbleitersubstrat von Ladungsträgern zuverarmen, wobei die Rückelektrode vorzugsweiseentsprechend dem ersten Dotierungstyp dotiert ist und damit in derRegel eine p-Dotierung aufweist. Die Verarmung des Halbleitersubstratsim photosensitiven Bereich ist wichtig, da ansonsten vorhandenefreie LadungsträgerFehldetektionen auslösenkönnten.
    [0025] Weiterhinist zu erwähnen,dass in dem Halbleitersubstrat vorzugsweise ein elektrisches Feldmit einer Potentialbarriere besteht, wobei die Potentialbarriereeine Emission von Löchernaus der Steuerelektrode und/oder aus der Rückelektrode zu der jeweilsgegenüberliegendenSeite des Halbleitersubstrats verhindert.
    [0026] ZurErzeugung der Potentialbarriere können die Steuerelektrode unddie Rückelektrodegegenüberder Ausleseelektrode elektrisch negativ vorgespannt sein.
    [0027] Hierbeibesteht zwischen der Steuerelektrode und der Rückelektrode vorzugsweise einPotentialunterschied, der so gering ist, dass sich die Potentialbarrierezwischen der Steuerelektrode und der Rückelektrode befindet.
    [0028] Fernerist zu erwähnen,dass das Halbleitersubstrat in der Praxis wesentlich schwächer dotiert ist,als der vergrabene Halbleiterbereich, die Ausleseelektrode, dieRückelektrodeund/oder die Steuerelektrode.
    [0029] Weiterhinist noch zu erwähnen,dass das Halbleitersubstrat, der vergrabene Halbleiterbereich, dieAusleseelektrode, die Rückelektrodeund/oder die Steuerelektrode mindestens teilweise aus Silizium oderGermanium bestehen können.
    [0030] Schließlich bestehtauch die Möglichkeit, mehrereerfindungsgemäße Avalanche-Strahlungsdetektorenin einer Detektoranordnung matrixförmig anzuordnen.
    [0031] Anderevorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnetoder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugtenAusführungsbeispiele anhandder Figuren nähererläutert.Es zeigen:
    [0032] 1A eineDraufsicht auf einen erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektor,
    [0033] 1B eineQuerschnittsansicht des Avalanche-Strahlungsdetektors aus 1A,
    [0034] 2 eineQuerschnittsansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektorsmit einem vergrabenen Halbleiterbereich, der in lateraler Richtung bisunter die Steuerelektrode gezogen ist,
    [0035] 3 einweiteres alternatives Ausführungsbeispieleines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors,bei dem die Dotierung des vergrabenen Halbleiterbereichs in lateralerRichtung variiert,
    [0036] 4 einweiteres alternatives Ausführungsbeispieleines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors,bei dem die Ausleseelektrode in einen Halbleiterbereich eingebettetist, dessen Dotierung in lateraler Richtung variiert,
    [0037] 5 einweiteres Ausführungsbeispieleines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors,bei dem die Dotierung des vergrabenen Halbleiterbereichs in lateralerRichtung variiert sowie
    [0038] 6 eineQuerschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektorsmit mehreren ringförmigenund konzentrisch angeordneten Steuer- bzw. Sammelelektroden.
    [0039] Derin den 1A und 1B dargestellte Avalanche-Strahlungsdetektorweist einen kreisscheibenförmigen,schwach n-dotierten HalbleiterkörperHK aus Silizium auf, wobei der Halbleiterkörper HK einen Radius rA im Zentimeterbereich und eine Dicke d imBereich zwischen 30 μmund 1 mm aufweisen kann.
    [0040] Anseiner RückseiteRS weist der HalbleiterköperHK eine p-dotierte RückelektrodeRK auf, um den HalbleiterkörperHK von Ladungsträgernzu verarmen.
    [0041] Darüber hinausbildet die RückseiteRS des HalbleiterkörpersHK ein Strahlungseintrittsfenster, über das die zu detektierendeStrahlung in den HalbleiterkörperHK eintritt und dort Ladungsträgergeneriert.
    [0042] Aufseiner Vorderseite VS weist der Halbleiterkörper HK eine p-dotierte ringförmige SteuerelektrodeR auf, die einen Avalanche-Bereich AB ringförmig umgibt, wobei der Avalanche-Bereich an der VorderseiteVS oberflächennahin dem Halbleiterkörper HKangeordnet ist. Der Avalanche-Bereich AB kann einen DurchmesserdAB im Mikrometerbereich aufweisen, wobeisich ein Wert von dAB = 10 μm als vorteilhafterwiesen hat. Die geringen Abmessungen des Avalanche-Bereichs ABbei dem erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektorermöglichen imVergleich zu größeren Avalanche-Strukturenvorteilhaft eine kostengünstigeFertigung.
    [0043] DerAvalanche-Bereich AB weist hierbei einen vergrabenen p-dotiertenHalbleiterbereich DP und eine n-dotierte Ausleseelektrode A auf,wobei der vergrabene Halbleiterbereich DP durch die SteuerelektrodeR angesteuert wird.
    [0044] Darüber hinauserzeugt die Steuerelektrode R in dem Halbleiterkörper HK ein elektrisches Driftfeld,das die in dem HalbleiterkörperHK durch Strahlungseinwirkung generierten Elektroden zu dem Avalanche-BereichAB leitet, wo die Signalelektronen zu einer Lawinenbildung führen, die über dieAusleseelektrode A detektiert wird. Das Driftfeld ermöglicht es, dassdas Strahlungseintrittsfenster und der photosensitive Bereich indem HalbleiterkörperHK wesentlich größer sindals der Avalanche-Bereich AB. Der erfindungsgemäße Avalanche-Strahlungsdetektor vereinigtalso den Vorteil einer großenEmpfindlichkeit aufgrund des großen Strahlungseintrittsfensters unddes großvolumigenphotosensitiven Bereichs mit dem Vorteil einer kostengünstigen,herkömmlichen Herstellung,da der Avalanche-Bereich AB relativ klein ist.
    [0045] ZumBetrieb dieses Avalanche-Strahlungsdetektors werden an die AusleseelektrodeA, die Steuerelektrode R und die Rückelektrode RK elektrischeSpannungen angelegt, so dass der Halbleiterkörper HK einschließlich desvergrabenen Halbleiterbereichs DP vollständig von Ladungsträgern verarmt istund eine Potentialbarriere in dem Halbleiterkörper entsteht, die eine Emissionvon Löchernaus der p-dotierten Steuerelektrode R oder aus der ebenfalls p-dotiertenRückelektrodeRK zur gegenüberliegendenSeite des HalbleiterkörpersHK verhindert.
    [0046] DieserZustand wird erreicht, wenn sowohl die Rückelektrode RK als auch dieSteuerelektrode R gegenüberder Ausleseelektrode A negativ vorgespannt werden, wobei der Potentialunterschiedzwischen der Steuerelektrode R und der Rückelektrode RK so begrenztwird, dass zwischen ihnen ein Potentialmaximum erhalten bleibt,das als Barriere fürdie Löcheremissionwirkt.
    [0047] Diein dem verarmten HalbleiterkörperHK erzeugten Signalelektronen werden dann über dieses Potentialmaximumzu dem Avalanche-Bereich AB geführt.
    [0048] Dieelektrische Feldstärkein dem Avalanche-Bereich AB wird durch Dotierungsstärke undTiefe des vergrabenen, dotierten Halbleiterbereichs DP bestimmtund kann zusätzlichdurch die zwischen der Ausleseelektrode A und der SteuerelektrodeR angelegte Spannung variiert werden.
    [0049] Auchdas Potential an der RückelektrodeRK beeinflusst die elektrische Feldstärke in dem Avalanche-BereichAB, wobei der Einfluss der RückelektrodeRK jedoch aufgrund des größeren Abstandeszu dem Avalanche-Bereich AB geringer ist, als der Einfluss der unmittelbarbenachbarten Steuerelektrode R.
    [0050] DiesesAusführungsbeispielermöglichtvorteilhaft ein großesStrahlungseintrittsfenster und einen großvolumigen photosensitivenBereich bei einem relativ kleinen Avalanche-Bereich. Das große Strahlungseintrittsfensterund der großvolumigephotosensitive Bereich tragen hierbei zu einer großen Empfindlichkeitdes Avalanche-Strahlungsdetektors bei, während der relativ kleine Avalanche-Bereich denFertigungsaufwand in Grenzen hält,da sich großflächige Avalanche-Strukturennur schwer herstellen lassen.
    [0051] Dasin 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektorsstimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den 1A und 1B dargestelltenAusführungsbeispiel überein,so dass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehendeBeschreibung zu den 1A und 1B verwiesenwird, wobei im Folgenden fürentsprechende Bereiche dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
    [0052] EineBesonderheit dieses Ausführungsbeispielsbesteht darin, dass die stark n-dotierte Ausleseelektrode A hierbeiin einen schwächern-dotierten Halbleiterbereich DN eingebettet ist.
    [0053] Darüber hinausist der vergrabene, p-dotierte Halbleiterbereich DP in lateralerRichtung nach außenbis zu der Steuerelektrode R durchgezogen und mit dieser verbunden.
    [0054] Zumeinen wird durch diese Anordnung erreicht, dass der Abstand zwischender Steuerelektrode R und der Ausleseelektrode A vergrößert werden kann.
    [0055] Zumanderen wird auf diese Weise die Durchbruchsfeldstärke in demAvalanche-Bereich AB oberflächennahherabgesetzt.
    [0056] Dervergrabene, p-dotierte Halbleiterbereich DP ist hierbei jedoch nicht über seinengesamten Bereich verarmt, sondern nur unterhalb des Avalanche-BereichsAB. Das negative Potential der Steuerelektrode R wird hierbei alsonicht mehr überdie ringförmigeSteuerelektrode R selbst an den Avalanche-Bereich AB herangeführt, sondern über denvergrabenen, p-dotierten Halbleiterbereich DP. Auf diese Weise werdendie in den HalbleiterkörperHK durch Strahlungseinwirkung entstandenen Signalelektronen in Richtungdes Avalanche-Bereichs AB fokussiert.
    [0057] Dasin 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektorsstimmt ebenfalls weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen undin den 1A, und 1B dargestelltenAusführungsbeispiel überein, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehendeBeschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bereiche dieselben Bezugszeichenverwendet werden.
    [0058] DiesesAusführungsbeispielberuht auf der Erkenntnis, dass in dem Avalanche-Bereich AB eine möglichstgleichförmigeAusbildung des elektrischen Feldes wünschenswert ist, was bei denvorangehenden Ausführungsbeispielennicht optimal umgesetzt wird. So sind bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispielam Rand des Avalanche-Bereichs AB höhere Feldstärke zu erwarten als in derMitte des Avalanche-Bereichs AB. Auch wenn die in dem Halbleiterkörper HKdurch Strahlungseinwirkung generierten Signalelektronen ausschließlich mittigdurch den Avalanche-Bereich AB laufen, ist die ungleichförmige Feldstärke in demAvalanche-Bereich AB bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielennachteilig.
    [0059] Wenndie vorangegangenen Ausführungsbeispielebeispielsweise im Proportionalmodus betrieben werden, so sind diemaximale elektrische Feldstärkeund damit auch der Ladungsmultiplikationsfaktor durch die Verhältnisseam Rand des Avalanche-BereichsAB begrenzt, da dort ein Lawinendurchbruch verhindert werden muss.
    [0060] Willman den Avalanche-Strahlungsdetektor dagegen im sogenannten Geiger-Modusbetreiben, in dem eine Löschungder Ladungsträgerlawine durchVerringerung der angelegten Spannung erreicht wird, so ist einewesentlich stärkereVerringerung der Spannung erforderlich, weil die ursprünglich imZentralbereich des Avalanche-Bereichs AB ausgelöste Ladungsträgerlawinesich in den äußeren Avalanche-BereichAB ausbreitet und auch dort zum Stillstand kommen muss.
    [0061] DieseProbleme werden bei dem Ausführungsbeispielgemäß 3 dadurchgelöst,dass die Dotierung des vergrabenen, p-dotierten Halbleiterbereichs unterhalbdes Avalanche-Bereichs AB in lateraler Richtung variiert. DieseDotierungsvariation kann beispielsweise durch strukturierte Implantationenerreicht werden, wobei nicht nur die geometrische Ausdehnung, sondernauch Dosis und Energie (Tiefe) verändert werden können.
    [0062] Dasin 4 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt ebenfallsweitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehendeBeschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bereiche dieselben Bezugszeichenverwendet werden.
    [0063] DieGleichförmigkeitder elektrischen Feldstärkeinnerhalb des Avalanche-Bereichs AB wird hierbei jedoch nicht durcheine laterale Dotierungsvariation innerhalb des vergrabenen, p-dotiertenHalbleiterbereichs DP erreicht, sondern durch ei ne Dotierungsvariationin dem n-dotierten Halbleiterbereich DN, in den die AusleseelektrodeA eingebettet ist. Die Verringerung der elektrischen Feldstärke am Rand desAvalanche-Bereichs AB erfolgt hierbei durch teilweise Kompensationmittels einer Strukturierung der tiefen n-Dotierung des HalbleiterbereichsDN, deren Ausläufermit dem vergrabenen, p-dotierten Halbleiterbereich DP überlappen.
    [0064] Dasin 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektorsstimmt wieder weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein,so dass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehendeBeschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bereiche dieselbenBezugszeichen verwendet werden.
    [0065] ZurVerbesserung der Fokussierungseigenschaften der Signalelektronenist hierbei zusätzlich eineringförmige,vergrabene, p-dotierte Ringelektrode R' vorgesehen, die unterhalb des vergrabenen, p-dotiertenHalbleiterbereichs DP angeordnet ist. Dadurch wird das elektrischePotential der Steuerelektrode R noch näher an den Avalanche-BereichAB herangebracht, wodurch die Steuerwirkung der SteuerelektrodeR auf den Avalanche-Bereich AB vergrößert wird. Die Anforderungenan die genaue Einhaltung der erforderlichen Dotierung des vergrabenen, p-dotiertenHalbleiterbereichs DP werden dadurch geringer, da Abweichungen leichterdurch Veränderungendes an die Steuerelektrode R angelegten elektrischen Potentialskompensiert werden können. ImGeiger-Modus wird die fürdas Löschender Ladungsträgerlawineerforderliche Spannungsreduktion verringert.
    [0066] Dasin 6 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektorsstimmt ebenfalls weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein,so dass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehendeBeschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bereiche dieselbenBezugszeichen verwendet werden.
    [0067] EineBesonderheit dieses Ausführungsbeispielsbesteht darin, dass der Avalanche-Bereich AB hierbei von mehrerenkonzentrischen Ringelektroden R1, R2, R3 umgeben ist, die in demHalbleiterkörper HKein Driftfeld erzeugen, durch das die in dem Halbleiterkörper HKdurch Strahlungseinwirkung entstandenen Signalelektroden zu demAvalanche-Bereich AB geführtwerden. Die einzelnen Ringelektroden R1, R2, R3 liegen hierzu aufeinem unterschiedlichen, nach außen abfallenden elektrischenPotential.
    [0068] DerAvalanche-Strahlungsdetektor weist dadurch bei kleiner Ausdehnungdes Avalanche-Bereichs AB eine sehr große Sammelfläche für die zu detektierende Strahlungauf, wobei die Zeitauflösung beider Detektion durch die maximale Driftzeit bestimmt wird.
    [0069] DieErfindung ist nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispielebeschränkt.Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, dieebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalbin den Schutzbereich fallen.
    权利要求:
    Claims (27)
    [1] Avalanche-Strahlungsdetektor, mit – einemHalbleitersubstrat (HK) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite(RS), – einemAvalanche-Bereich (AB), der in dem Halbleitersubstrat (HK) an derVorderseite (VS) des Halbleitersubstrats (HK) angeordnet ist, – einerSteuerelektrode (R) zur Einstellung der elektrischen Feldstärke in demAvalanche-Bereich (AB), – eineman der Rückseite(RS) des Halbleitersubstrats (HK) angeordneten Strahlungseintrittsfensterfür diezu detektierende Strahlung, dadurch gekennzeichnet,dass die Steuerelektrode (R) ebenfalls an der Vorderseite desHalbleitersubstrats (HK) angeordnet ist.
    [2] Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (R) den Avalanche-Bereich (AB) ringförmig umgibt.
    [3] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,gekennzeichnet durch ein elektrisches Driftfeld in dem Halbleitersubstrat (HK),das durch die Strahlung generierte Ladungsträger innerhalb des Halbleitersubstrats(HK) zu dem Avalanche-Bereich (AB) bewegt.
    [4] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (R) entsprechendeinem ersten Dotierungstyp (p) dotiert ist, während das Halbleitersubstrat(HK) entsprechend einem entgegengesetzten zweiten Dotierungstyp(n) dotiert ist.
    [5] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungseintrittsfenster wesentlich großflächiger alsder Avalanche-Bereich (AB) ist.
    [6] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Halbleitersubstrat (HK)ein photosensitiver Bereich befindet, in dem von der zu detektierendenStrahlung Ladungsträgergeneriert werden, wobei der photosensitive Bereich wesentlich großflächiger und/odergroßvolumigerund/oder dicker und/oder breiter als der Avalanche-Bereich (AB) ist.
    [7] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Avalanche-Bereich (AB) einen in dem Halbleitersubstrat(HK) vergrabenen und entsprechend dem ersten Dotierungstyp (p) dotiertenHalbleiterbereich (DP) aufweist, wobei der vergrabene Halbleiterbereich(DP) von der Steuerelektrode (R) steuerbar ist.
    [8] Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 7, dadurchgekennzeichnet, dass die Dotierung des vergrabenen Halbleiterbereichs(DP) in lateraler Richtung hinsichtlich der Dotierungsstärke und/oder hinsichtlichder Tiefenausdehnung variiert.
    [9] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 7 bis8, dadurch gekennzeichnet, dass der vergrabene Halbleiterbereich(DP) in dem Avalanche-Bereich (AB) verarmt ist und außerhalbdes Avalanche-Bereichs (AB) nur teilweise verarmt ist.
    [10] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Avalanche-Bereich (AB) einen Auslesekontakt (A)aufweist, der entsprechend dem zweiten Dotierungstyp (n) dotiertist.
    [11] Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 10, dadurchgekennzeichnet, dass der Auslesekontakt (A) in einen niedriger dotiertenHalbleiterbereich desselben Dotierungstyps (n) eingebettet ist.
    [12] Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 10 oder11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung des Auslesekontakts(A) und/oder des Halbleiterbereichs, in den der Auslesekontakt (A)eingebettet ist, in lateraler Richtung hinsichtlich der Dotierungsstärke und/oderhinsichtlich der Tiefenausdehnung variiert.
    [13] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass sich der Auslesekontakt (A) oder der Halbleiterbereich,in den der Auslesekontakt (A) eingebettet ist, einerseits und dervergrabene Halbleiterbereich (DP) andererseits in lateraler Richtungteilweise überlappen,wobei sich deren gegenteilige Dotierung mindestens teilweise kompensiert.
    [14] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 7 bis13, dadurch gekennzeichnet, dass sich der vergrabene Halbleiterbereich(DP) in dem Halbleitersubstrat (HK) bis unter die Steuerelektrode(R) erstreckt.
    [15] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 7 bis14, dadurch gekennzeichnet, dass der vergrabene Halbleiterbereich(DP) mit der Steuerelektrode (R) verbunden ist.
    [16] Avalanche-Strahlungsdetektor, nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückseite (RS) des Halbleitersubstrats(HK) eine Rückelektrode(RK) angeordnet ist, um das Halbleitersubstrat (HK) zu verarmen,wobei die Rückelektrode(RK) entsprechend dem ersten Dotierungstyp (p) dotiert ist.
    [17] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Avalanche-Bereich (AB) von mehreren Sammelelektroden(R1–R3)umgeben ist, die in dem Halbleitersubstrat (HK) ein Driftfeld erzeugen, dasauf den Avalanche-Bereich (AB) gerichtet ist.
    [18] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelelektroden (R1–R3) den Avalanche-Bereich(AB) ringförmigund im Wesentlichen konzentrisch umgeben.
    [19] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleitersubstrat (HK) und der vergrabeneHalbleiterbereich (DP) vollständigvon Ladungsträgernverarmt sind.
    [20] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass in dem Halbleitersubstrat (HK) ein elektrischesFeld mit einer Potentialbarriere besteht, wobei die Potentialbarriereeine Emission von Löchernaus der Steuerelektrode (R) und/oder aus der Rückelektrode (RK) zu der jeweilsgegenüberliegenden Seite des Halbleitersubstrats (HK) verhindert.
    [21] Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 20, dadurchgekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (R) und die Rück elektrode(RK) gegenüberdem Auslesekontakt (A) elektrisch negativ vorgespannt sind, um diePotentialbarriere zu erzeugen.
    [22] Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 20 oder21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Steuerelektrode (R)und der Rückelektrode(RK) ein Potentialunterschied besteht, der so gering ist, dass sichdie Potentialbarriere zwischen der Steuerelektrode (R) und der Rückelektrode(RK) befindet.
    [23] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (HK) wesentlichschwächerdotiert ist als der vergrabene Halbleiterbereich (DP), der Auslesekontakt(A), die Rückelektrode(RK) und/oder die Steuerelektrode (R).
    [24] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (HK), der vergrabeneHalbleiterbereich (DP), der Auslesekontakt (A), die Rückelektrode(RK) und/oder die Steuerelektrode (R) mindestens teilweise aus Siliziumoder Germanium besteht.
    [25] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierungstyp (p) einer p-Dotierungentspricht, währendder zweite Dotierungstyp (n) einer n-Dotierung entspricht.
    [26] Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis25, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierungstyp einer n-Dotierungentspricht, währendder zweite Dotierungstyp einer p-Dotierung entspricht.
    [27] Detektoranordnung mit mehreren Avalanche-Strahlungsdetektorennach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Avalanche-Strahlungsdetektorenmatrixförmigangeordnet sind.
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