DE4125718A1

DE4125718A1 - Monocrystalline semiconductor material photodiode module - has parallel line detectors as strips formed from monolithic block

Info

Publication number: DE4125718A1
Application number: DE4125718A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Welser; Helmut Riedel
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1991-08-02
Filing date: 1991-08-02
Publication date: 1993-02-04

Abstract

The module is formed from a monocrystalline, semiconductor monolithic block for photoelectric transducing of impinging energy by wide range, parallel, line detectors. The latter are formed by strips (2) work out from the block (1), forming between them opposite, parallel reflection walls (3, 4) with <110> surface structure. On the strip top and lower sides are formed implantation layers (5, 6), on laminates, such that the radiation impingement angle in selectiveoy tilted w.r.t. the parallel reflection walls. Pref. monocrystaline semiconductor silicon is used for the photodiode, with chemical etching of the strips. ADVANTAGE - Increased quantum radiation yield and efficiency.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photodiodenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a photodiode arrangement according to the preamble of Claim 1.

Herkömmliche Photodioden werden bisher in planarer Form mit implantier ten oder diffundierten Eintrittsfenstern hergestellt. Die Herstellung der Dioden gemäß der vorliegenden Erfindung geschieht auf mikromechani schem Wege durch Bearbeiten der planaren Ober- oder Unterseite des Halb leiterblocks. Diese mikromechanischen Bearbeitungsmethoden sind für Sen soren bekannt, z. B. aus "Technical Digest of the 7th Sensor Symposium, 1988", Seite 1 bis 6, Vortrag H. Seidel und L. Csepregi.Conventional photodiodes have so far been implanted in planar form th or diffused entry windows. The production of the diodes according to the present invention is done on micromechani paths by working the planar top or bottom of the half ladder blocks. These micromechanical processing methods are for Sen known sensors, e.g. B. from "Technical Digest of the 7th Sensor Symposium, 1988 ", pages 1 to 6, lecture H. Seidel and L. Csepregi.

Da die bekannten Photodiodenanordnungen wegen ihrer planaren Form nur auf der Ober- oder Unterseite aktive Diodenschichten bzw. Depletierungen ermöglichen, ist ihre Quantenausbeute und ihre Effizienz gering.Since the known photodiode arrays only because of their planar shape active diode layers or depletings on the top or bottom enable, their quantum yield and their efficiency is low.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Quantenausbeute der zu erfassenden Strahlung stark zu verbessern, und damit die Effizienz des Detektors zu erhöhen.The object of the invention is to determine the quantum yield of those to be detected Radiation improve greatly, and thus the efficiency of the detector too increase.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 auf geführten Merkmale. Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind weiteren Patentansprüchen zu entnehmen.This problem is solved by the in the characterizing part of claim 1 guided characteristics. Training and further developments of the invention are further Claims to be found.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der nachfolgenden Beschrei bung erläutert und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es han delt sich dabei um eine mikrostrukturierte, d. h. mikromechanisch herge stellte Photodiode, welche die Umwandlung einfallender Strahlung in ein elektrisches Signal einem großen Wellenlängenbereich und für verschiede ne Strahlungsarten bei hoher Effizienz im vollständig depletierten Zu stand erreicht. Dabei werden bisher nicht genutzte Wandflächen als ein ander gegenüberstehende parallele Reflexionswände ausgebildet, die aus einem Block 1 auf mikromechanischem Wege bevorzugt durch naßchemische Ätztechniken Stege 2 herausarbeiten, zwischen denen sich einander gegen überstehende parallele Reflexionswände 3, 4 ausbilden mit strukturierter Oberfläche <unter 110<. Bevorzugtes Halbleitermaterial ist kristallines Silizium, welches durch anisotropes Ätzen die gewünschte Struktur er hält. Auf der Ober- und Unterseite der Stege 2 werden Implantations schichten (p+ oder n+) oder Schichtfolgen gebildet. Die Schichtbildung erfolgt dabei derart, daß sich dachartig Einfallswinkel der Strahlung gegenüber den parallelen Reflexionswänden 3, 4 von gewünschter Größe wäh len lassen. Die Implantationsschicht p+ besteht bevorzugt aus Phosphor.A preferred embodiment is explained in the description below and shown in the accompanying drawings. It is a microstructured, ie micromechanically manufactured photodiode which achieves the conversion of incident radiation into an electrical signal over a wide wavelength range and for various types of radiation with high efficiency in the fully depleted state. Previously unused wall surfaces are designed as a parallel opposite reflection walls, which, from a block 1, work out webs 2 , preferably by wet-chemical etching techniques, from a block 1 , between which mutually opposing parallel reflection walls 3 , 4 form with a structured surface <under 110 <. Preferred semiconductor material is crystalline silicon, which it maintains the desired structure through anisotropic etching. Implantation layers (p + or n +) or layer sequences are formed on the top and bottom of the webs 2 . The layer formation takes place in such a way that the roof-like angle of incidence of the radiation with respect to the parallel reflection walls 3 , 4 of the desired size can be selected. The implantation layer p + preferably consists of phosphorus.

Während die beigefügte Zeichnung in Abb. 1 die Mikrostrukturierung der Reflexionsdiode in parallelen Linien auf den Oberseiten der Stege nur schematisch zeigt, zeigt Abb. 2 einen Schnitt durch die Diodenstruktur und das Prinzip der Reflexion zwischen den Stegen 2 und ihren Reflexi onswänden 3, 4. Die Reflexionswände dienen als Eintrittsfenster für die Strahlung und besitzen keinen pn-Übergang, was zur Erhöhung der Quanten ausbeute führt. So erreicht man eine verbesserte Quantenausbeute bei kurzwelliger Photonenstrahlung sowie bei niederenergetischer, kurzreich weitiger Korpuskularstrahlung, da die bestrahlten Wandflächen jetzt ak tiv zum Umwandeln der eingestrahlten Energie in ein elektrisches Signal verwendet werden. Durch die periodische Anordnung der Photodiode und ih rer Wandflächen wird eine weitere deutliche Erhöhung der Sensitivität durch die Reflexion der Strahlung an den Seitenwänden 3, 4 erreicht. Das separate Auslesen der Einzeldioden/Linien ermöglicht die Anwendung des Diodenarrays als ortsauflösender Detektor. Selbstverständlich können mehrere Dioden nach Abb. 1 nebeneinander zu einem gesamten Array zusam mengestellt werden. Die Verkippung des Einfallwinkels bei dem gesamten Diodenarray gegen die einfallende Strahlung, d. h. ein spitzer Einfalls winkel gegenüber der Senkrechten der Wände 3, 4 verändert die Anzahl der Reflexionen sowie auch des Einstrahlwinkels und variiert auf diese Weise die Sensivität der Diodenanordnung. So ist es möglich, die Photodiode in einem großen dynamischen Bereich zu nutzen. Besonders sensitiv bzw. ef fizient ist die neue Photodiodenanordnung im Bereich ≦ 400 nm, d. h. im Bereich des nahen UV-Lichtes. While the attached drawing in Fig. 1 shows the microstructuring of the reflection diode in parallel lines on the top of the webs only schematically, Fig. 2 shows a section through the diode structure and the principle of reflection between the webs 2 and their reflection walls 3 , 4 . The reflection walls serve as entry windows for the radiation and have no pn transition, which leads to an increase in the quantum yield. In this way, an improved quantum yield is achieved with short-wave photon radiation as well as with low-energy, short-range corpuscular radiation, since the irradiated wall surfaces are now used actively to convert the irradiated energy into an electrical signal. The periodic arrangement of the photodiode and its wall surfaces results in a further significant increase in sensitivity due to the reflection of the radiation on the side walls 3 , 4 . The separate reading of the individual diodes / lines enables the use of the diode array as a spatially resolving detector. Of course, several diodes as shown in Fig. 1 can be assembled side by side to form an entire array. The tilting of the angle of incidence in the entire diode array against the incident radiation, ie an acute angle of incidence with respect to the vertical of the walls 3 , 4 changes the number of reflections and also the angle of incidence and in this way varies the sensitivity of the diode arrangement. So it is possible to use the photodiode in a large dynamic range. The new photodiode array in the ≦ 400 nm range, ie in the near UV range, is particularly sensitive and efficient.

Weitere Vorteile der Erfindung sind:Further advantages of the invention are:

Durch die Ausnutzung des Prinzips der Reflexion, insbesondere Mehrfach reflexion - siehe Abb. 2 - ist die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung in der Lage, die Absorption gegenüber einfallender Strahlung deutlich zu erhöhen, insbesondere ihre Sensivität gegenüber kurzreichweitiger Strah lung.By utilizing the principle of reflection, in particular multiple reflection - see Fig. 2 - the photodiode arrangement according to the invention is able to significantly increase the absorption against incident radiation, in particular its sensitivity to short-range radiation.

Ferner ist die Sensivität einstellbar, d. h. auch der dynamische Bereich der Erfassung im Detektor.Furthermore, the sensitivity is adjustable, i.e. H. also the dynamic range detection in the detector.

Die Erfindung ist anwendbar zusammen mit in Zwischenräume zwischen die Reflexionswände eingefüllten fluoreszierenden, szintillierenden oder streuenden Medien. Ein derart weiter Verwendungsbereich ergibt eine starke Erhöhung der Effizienz und der Quantenausbeute gegenüber bekann ten Photodiodenanordnungen. Eine weitere Verbesserung der Quantenausbeu te erfolgt bei der Erfindung durch Aufbringung einer transmittierenden oder reflektierenden Schicht oder Schichtenfolge oder Scheibe (Vorschal tung).The invention is applicable along with spaces between the Reflected walls filled with fluorescent, scintillating or scattering media. Such a wide range of uses results in a a significant increase in efficiency and quantum yield compared to th photodiode arrays. Another improvement in quantum gain te is carried out in the invention by applying a transmitting or reflective layer or layer sequence or disc (front shell tung).

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung der Ein fallswinkel durch die Ausbildung der Stege auf den planaren Ober- oder Unterseiten möglich wird, erreicht man eine einstellbare Sensivität der Diode und erreicht damit die Erweiterung in einen großen dynamischen An wendungsbereich für zu detektierende Strahlung.The fact that in the photodiode arrangement according to the invention Fall angle through the formation of the webs on the planar top or An adjustable sensitivity of the bottom is possible Diode and thus achieves the expansion into a large dynamic type area of application for radiation to be detected.

Das Auslesen und Auswerten der photoelektrisch umgewandelten Strahlungs energie in elektrische Signale erfolgt insbesondere ortsaufgelöst, be vorzugt in Arrayform, entweder einzeln, parallel oder seriell, wobei mit Hilfe der Elektroden in Form von Metallkontakten 7 und 8 die Signale zur Auslösung abgeführt werden. Die Auswertung erfolgt bevorzugt analog, kann aber auch digital oder analog/digital gemischt erfolgen, z. B. mit Hilfe geeigneter Prozessoren, wie Mikroprozessoren.The reading and evaluation of the photoelectrically converted radiation energy into electrical signals takes place in particular spatially resolved, preferably in array form, either individually, in parallel or in series, the signals for triggering being dissipated with the aid of the electrodes in the form of metal contacts 7 and 8 . The evaluation is preferably carried out analog, but can also be mixed digitally or analog / digital, z. B. with the help of suitable processors, such as microprocessors.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen beschriebe nen und bevorzugten Herstellungsweisen, Ausführungsformen der Dioden struktur/Anordnungen noch auf die beschriebenen Anwendungen beschränkt, sondern der Fachmann kann hier je nach Anwendungsfall geeignete Abwand lungen treffen, solange er das Prinzip der Erhöhung der Sensivität durch Reflexion der Strahlung auf den Seitenwänden 3, 4 der Mikrostruktur, die einander gegenüberstehen und unter wählbarem Einfalls- und Ausfallswin kel durchstrahlt werden - dabei mehrfach reflektiert - benutzt.The invention is not limited to the described in the exemplary embodiments and preferred manufacturing methods, embodiments of the diode structure / arrangements still limited to the applications described, but the person skilled in the art can make suitable modifications depending on the application, as long as he advances the principle of increasing the sensitivity Reflection of the radiation on the side walls 3 , 4 of the microstructure, which face each other and are irradiated with a selectable angle of incidence and angle of fall - in this case reflected several times - used.

Claims

1. Photodiodenanordnung aus einkristallinem Halbleitermaterial, auf mikromechanischem Wege aus einem Block/Monolith herausgearbeitet zum photoelektrischen Wandeln eingestrahlter Energie in einem großen Bereich mit Hilfe paralleler Liniendetektoren, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Liniendetektoren von aus dem Block (1) herausgearbeiteten Stegen (2) gebildet werden, die zwischen sich einander gegenüberstehende parallele Reflexionswände (3, 4) mit strukturierter Oberfläche <110< bil den, während auf der Ober- und Unterseite der Stege (2) Implantationsschich ten (5 oder 6) oder Schichtfolgen derart ausgebildet sind, daß der Ein fallswinkel der Strahlung gegenüber den parallelen Reflexionswänden (3, 4) verkippt gewählt ist.1. Photodiode arrangement made of single-crystal semiconductor material, worked out in a micromechanical way from a block / monolith for photoelectric conversion of irradiated energy in a large area with the aid of parallel line detectors, characterized in that the parallel line detectors are formed by webs ( 2 ) worked out from the block ( 1 ) be, the mutually opposing parallel reflection walls ( 3 , 4 ) with a structured surface < 110 <bil, while on the top and bottom of the webs ( 2 ) Implantationsschich th ( 5 or 6 ) or layer sequences are formed such that the A drop angle of the radiation is chosen to be tilted relative to the parallel reflection walls ( 3 , 4 ).

2. Photodiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einkristallinem Siliziumhalbleitermaterial herausgearbeitet ist.2. Photodiode arrangement according to claim 1, characterized in that they worked out of single-crystal silicon semiconductor material is.

3. Photodiodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß sie aus einkristallinem Halbleitermaterial chemisch her ausgeätzt ist.3. Photodiode arrangement according to claim 1 or 2, characterized records that they are chemically from single-crystal semiconductor material is etched out.

4. Photodiodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Ober- und Unterseite der Stege (2) gebildeten Schichten im Falle einer p+-Implantationsschicht aus Bor mit einem Winkel zur Senkrechten ausgebildet sind und im Falle einer n+-Implantationsschicht oder -schichten aus Phosphor unter gleichem Win kel zu den Reflexionswänden (3, 4) gebildet sind. 4. Photodiode arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the layers formed on the top and bottom of the webs ( 2 ) are formed in the case of a p + implantation layer made of boron at an angle to the perpendicular and in the case of an n + implantation layer or -Layers of phosphorus are formed under the same angle to the reflection walls ( 3 , 4 ).

5. Photodiodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen parallelen Liniendetektoren in Form eines Arrays zusammengestellt sind.5. Photodiode arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the individual parallel line detectors are put together in the form of an array.

6. Photodiodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung als den Ort der Einstrahlung be stimmender Detektor.6. photodiode arrangement according to one of the preceding claims, characterized by the application as the place of irradiation tuning detector.

7. Photodiodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung für die Detektion von Strahlung in einem großen Wellenlängenbereich, insbesondere auch ≦ 400 nm.7. photodiode arrangement according to one of the preceding claims, characterized by the application for the detection of radiation in a large wavelength range, especially auch 400 nm.

8. Photodiodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtfolge auf den Stegen (2) zu sätzliche transmittierende oder reflektierende Schichten aufweist zur Verbesserung der Quantenausbeute.8. Photodiode arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the layer sequence on the webs ( 2 ) has additional transmitting or reflecting layers to improve the quantum efficiency.

9. Photodiodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zwischenräume zwischen den einander gegenüberstehenden Reflexionswänden (3, 4) der Stege (2) ein streuendes, szintillierendes oder fluoreszierendes Medium eingebracht wird.9. Photodiode arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a scattering, scintillating or fluorescent medium is introduced into the spaces between the mutually opposing reflection walls ( 3 , 4 ) of the webs ( 2 ).