DE4125719A1

DE4125719A1 - Photodiodenanordnung

Info

Publication number: DE4125719A1
Application number: DE4125719A
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

Description

Die Erfindung betrifft eine Photodiodenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 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.

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.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Quantenausbeute der zu erfassenden Strahlung stark zu verbessern, und damit die Effizienz des Detektors zu erhöhen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 auf geführten Merkmale. Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind weiteren Patentansprüchen zu entnehmen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der nachfolgenden Beschrei bung erläutert und in den 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 in einem großen Wellenlängenbereich und für ver schiedene Strahlungsarten bei hoher Effizienz erreicht im vollständig depletierten Zustand. Dabei werden bisher nicht genutzte Wandflächen als Strahlungs-Eintrittsfenster ausgebildet, die aus einem Block 1 auf mi kromechanischem Wege bevorzugt durch naßchemische Ätztechniken Stege 2 herausarbeiten, zwischen denen sich einander winklig gegenüberstehende Reflexionswände 3, 4 ausbilden mit strukturierter Oberfläche <unter 100<. Bevorzugtes Halbleitermaterial ist kristallines Silizium, welches durch anisotropes Ätzen die gewünschte Struktur erhält. Auf der Ober- und Un terseite der Stege 2 werden Implantationsschichten (p+ oder n+) oder Schichtfolgen gebildet. Die Schichtbildung erfolgt dabei derart, daß sich dachartig Einfallswinkel der Strahlung gegenüber Stegwänden 3, 4 von gewünschter Größe wählen lassen. Hierbei ist jedoch im allgemeinen der Verkippungswinkel = 35° gewählt. Die Implantationsschicht p+ besteht be vorzugt aus Phosphor.

Während die 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 den Strahlungseinfall bei einem Verkippungswinkel von ca. 35°. Im Betriebszustand ist die Diode vollständig depletiert und erreicht durch das Fehlen eines pn-Überganges im Eintrittsfenster eine erhöhte Quanten ausbeute bei minimal eindringender Strahlung, wie kurzwelliger Photonen strahlung sowie niederenergetischer, kurzreichweitiger Korpuskularstrah lung, da die bestrahlten Wandflächen jetzt aktiv zum Umwandeln der ein gestrahlten Energie in ein elektrisches Signal verwendet werden. Das se parate 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 oder stumpfer Einfallswinkel gegenüber der Senkrechten der Wände 3, 4 verän dert die Sensitivität der Diodenanordnung. So ist es möglich, die Photo diode in einem großen dynamischen Bereich zu nutzen. Besonders sensitiv bzw. effizient ist die neue Photodiodenanordnung im Bereich ≦400 nm, d. h. im Bereich des nahen UV-Lichtes.

Weitere Vorteile der Erfindung sind:
Die Sensivität ist einstellbar, d. h. auch der dynamische Bereich der Er fassung im Detektor.

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).

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.

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.

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 Absorption der Strahlung auf den Seitenwänden 3, 4 der Mikrostruktur, die einander gegenüberstehen und unter wählbarem Einfalls- und Ausfallswin kel durchstrahlt werden, benutzt.

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 Reflexionswände unter einem Winkel zur Waagerechten von 55° (und im Querschnitt ein Trapez bzw. Dreieck) bilden, 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.

2. Photodiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einkristallinem Siliziumhalbleitermaterial herausgearbeitet ist.

3. Photodiodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß sie aus einkristallinem Halbleitermaterial chemisch her ausgeätzt ist.

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.

5. Photodiodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen parallelen Liniendetektoren in Form eines Arrays zusammengestellt sind.

6. Photodiodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung als den Ort der Einstrahlung be stimmender Detektor.

7. Photodiodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung für die Detektion von Strahlung in einem großen Wellenlängenbereich, insbesondere 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.

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.

10. Photodiodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Höhe und des Abstandes der Stege größer als 1 gewählt ist, insbesondere bis etwa 5:1.