Полупроводниковый детектор излучения, оптимизированный для обнаружения видимого света

Полупроводниковый детектор излучения, оптимизированный для обнаружения видимого света

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам излучения и, более конкретно, к полупроводниковому детектору излучения с модифицированным внутренним затвором.

Уровень техники

Излучение в полупроводниковом материале преобразуется в электронно-дырочные пары. В полупроводниковых детекторах излучения электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем. Тип заряда электронно-дырочной пары, который измеряется, называется сигнальным зарядом. Заряд противоположного типа называется вторичным зарядом.

Международные заявки PCT/FI 2004/000492 и PCT/FI 2005/000359, содержание которых полностью включается в данную заявку посредством ссылки, раскрывают полупроводниковый детектор излучения с модифицированным внутренним затвором (МВЗ). Этот детектор далее называется МВЗ-детектором. МВЗ-детектор освещается сзади и имеет толстую, полностью обедненную подложку и тонкий проводящий слой на задней стороне устройства. Этот проводящий слой на задней стороне выполняет три функции: при подаче требуемого смещения обеспечивает полное обеднение толстой подложки, выводит вторичные заряды из активной области устройства и выполняет функции тонкого однородного окна для ввода излучения. МВЗ-детектор обладает многими преимуществами. Создаваемые на поверхности заряды могут быть отделены от сигнальных зарядов, что обеспечивает малый шум темнового тока. Сигнальный заряд может считываться без разрушения, что позволяет считывать его многократно, тем самым снижая шум считывания. Освещение сзади и тонкое однородное окно для ввода излучения позволяют детектировать слабо проникающее излучение, такое как низкоэнергетические рентгеновские лучи и частицы с хорошим разрешением по энергии. Толстая, полностью обедненная подложка позволяет детектировать глубоко проникающее излучение.

Для подложки МВЗ-детектора выбирается материал с высоким сопротивлением, например почти беспримесный кремний, а толщина подложки составляет несколько сотен микрометров. Такой МВЗ-детектор может использоваться для детектирования частиц, рентгеновских лучей от низких до средних энергий (от ~100 эВ до ~10 кэВ) и фотонов от ультрафиолетового и синего света до ближнего инфракрасного излучения. Ближним инфракрасным излучением в данном описании называется излучение, которое не видит человеческий глаз и которое имеет длину волны менее 1,1 мкм, что является пределом детектирования для кремния. Ближнее инфракрасное излучение, длина волны которого близка к этому пределу, но ниже него, имеет очень большую глубину ослабления в кремнии, до сотен микрометров. Благодаря освещению сзади, наличию толстой, полностью обедненной подложки и наличию тонкого окна для ввода излучения МВЗ-детектор имеет большую квантовую эффективность от ближнего инфракрасного излучения до синего света. За счет толстой подложки исключается также краевой эффект. Краевой эффект является проблемой в детекторах с тонкой подложкой. В таких детекторах ближнее инфракрасное излучение перед поглощением многократно отражается между передней и задней поверхностями детектора с образованием нежелательных интерференционных паттернов. Поскольку безлунной ночью небо содержит, по меньшей мере, на порядок величины больше ближних инфракрасных фотонов, чем видимых фотонов и поскольку коэффициент отражения для ближнего инфракрасного излучения у многих материалов существенно (например, у листвы в три-шесть раз) выше, чем для видимого света, МВЗ-детектор очень хорошо применим для детектирования слабого света в приборах ночного видения.

МВЗ-детектор, однако, не очень хорошо подходит для детектирования видимого света в основанных на кремнии портативных потребительских приложениях по следующим причинам. Для обеднения толстой подложки необходимо, по меньшей мере, несколько десятков вольт. Ясно, что для портативного потребительского устройства такое напряжение слишком велико и приводит к слишком большой потребляемой мощности. Подложка из кремния с большим сопротивлением очень дорога, и ее трудно обрабатывать, что увеличивает затраты на изготовление. Трудно также надежно подключиться к проводящему слою задней поверхности с передней стороны через толстую подложку с большим сопротивлением, что было бы важно для массового производства. Большая часть генерируемого в объеме тока получается в толстой, полностью обедненной подложке, что, с высокой вероятностью, делает необходимым использование охлаждения. В портативных потребительских приложениях охлаждение детектора, однако, обычно невозможно. Резкость изображений также несколько разрушается, поскольку видимый свет поглощается на задней поверхности детектора и сигнальные заряды должны медленно перемещаться на большие расстояния, прежде чем они достигнут передней поверхности. По этой причине проблематичным также является использование цветных фильтров на задней поверхности устройства.

Глубина ослабления красного света в кремнии составляет более 10 мкм. Для синего и зеленого света глубина ослабления еще меньше. Поэтому для детектирования видимого света необязательно иметь толстую подложку. Вместо толстой подложки можно было бы использовать тонкую (типично около 10 мкм и менее 50 мкм) подложку в утончаемом с задней стороны МВЗ-детекторе. Тонкое устройство, однако, очень легко ломается, поэтому обработку задней стороны необходимо выполнять в конце процесса изготовления. Сделать это можно двумя способами. В первом передняя сторона подложки прикрепляется к поддерживающей подложке, после чего задняя сторона детектора делается тоньше. Во втором задняя сторона детектора вытравливается только ниже активной области, содержащей пиксели, а более толстая поддерживающая область оставляется по краям детектора. В обоих случаях необходимо, чтобы обработка передней стороны заканчивалась до уменьшения толщины с задней стороны. Этот факт усложняет промышленное изготовление проводящего слоя на задней стороне. Чтобы обработать очень тонкий проводящий слой на задней стороне, существуют два возможных метода, пригодных для массового производства. В первом методе проводящий слой на задней поверхности создается путем имплантации, что требует процедуры отжига при высокой температуре. Все материалы, которые используются на передней стороне устройства, такие как металлические соединительные провода, должны иметь более высокую температуру плавления, чем температура отжига. Этот факт запрещает использование многих материалов (например алюминия), которые широко применяются в интегральных микросхемах. Во втором методе на заднюю поверхность устройства осаждается тонкий слой. Однако на границе раздела между проводящим слоем и подложкой создается значительный темновой ток, и для подавления этого тока требуется охлаждение.

В случае использования МВЗ-детектора для детектирования видимого света имеется также неустранимая проблема, связанная с наличием проводящего заднего слоя. Для правильного детектирования плохо освещенных областей изображения размер кристалла должен быть большим и необходимо использовать большую оптическую апертуру. Чтобы при этом получить хорошую квантовую эффективность для синего света, проводящий задний слой должен быть очень тонким. Если к тому же изображение содержит очень яркие области, в проводящем заднем слое будет течь большой ток вторичных зарядов. Большой ток, текущий по проводящему заднему слою, при малой толщине и большой площади проводящего заднего слоя приводит, однако, к большому падению напряжения на сопротивлении в проводящем заднем слое. Это падение напряжения на сопротивлении снижает качество изображения и может приводить к неправильной работе детектора, особенно при очень малой толщине детектора.

Другая проблема МВЗ-детектора состоит в том, что для стирания сигнального заряда в МВЗ требуется относительно высокое напряжение, особенно при желании получить большой динамический диапазон, т.е. большую емкость для сигнальных зарядов в МВЗ. Еще одна проблема состоит в том, что в некоторых случаях в МВЗ-детекторах следовало бы улучшить развязку зарядов, создаваемых поверхностью, и сигнальных зарядов.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание полупроводникового детектора излучения, содержащего модифицированный внутренний затвор, в котором устраняются проблемы, создаваемые проводящим задним слоем. Другая задача состоит в том, чтобы получить структуру для полупроводникового детектора излучения, при которой сигнальный заряд может стираться малым напряжением. Еще одной задачей является получение средств для более полного разделения генерируемых поверхностью зарядов и сигнальных зарядов.

Решение названных задач достигается в полупроводниковом детекторе излучения, который содержит подложку из полупроводникового материала, причем на передней стороне подложки в указанном далее порядке расположены: слой модифицированного внутреннего затвора из полупроводника с электропроводностью второго типа, запирающий слой из полупроводника с электропроводностью первого типа и пиксельные легирования из полупроводника с электропроводностью второго типа, адаптированные к созданию пикселей, соответствующих пиксельным легированиям, хотя бы при одном значении пиксельного напряжения. Устройство характеризуется тем, что содержит первый контакт из полупроводника с электропроводностью первого типа, так что указанное пиксельное напряжение равно разности потенциалов между пиксельным легированием и первым контактом. Подложка также обладает электропроводностью первого типа, и в устройстве, на второй стороне подложки, противоположной первой стороне, отсутствует проводящий задний слой, который обычно используется для вывода вторичных зарядов из активной области детектора и в качестве окна для ввода излучения.

Изобретение строится на идее удаления проводящего заднего слоя из МВЗ-детектора. Учитывается, что вторичные заряды, генерируемые в подложке, могут собираться внутри активной области ограничителями каналов вместо того, чтобы выводиться из активной области с помощью проводящего заднего слоя. Сбор вторичных зарядов из подложки внутри активной области может быть улучшен далее введением разрывов в МВЗ-слое и структур с канавками, которые заполняются должным образом. Учитывается также, что новый МВЗ-детектор может освещаться с лицевой стороны. Однако освещаемый с лицевой стороны новый МВЗ-детектор обладает слабой чувствительностью к синему свету по следующей причине. Запирающий слой образует барьер для сигнальных зарядов между МВЗ-слоем и поверхностью устройства. Синий свет поглощается, в основном, между этим барьером и передней поверхностью детектора, и поэтому большая часть сигнальных зарядов, создаваемых синим светом, собирается пиксельными легированиями, а не МВЗ. С учетом того, что такой барьер отсутствует ниже ограничителей каналов и что площадь ограничителей каналов может использоваться как окно для ввода излучения, а также с учетом того, что ограничители каналов могут быть очень тонкими и что площадь ограничителей каналов может быть очень большой, чувствительность к синему свету освещаемого спереди устройства может быть значительно повышена.

Большая площадь ограничителей каналов снижает, однако, переносящий сигнальный заряд градиент потенциала в слое МВЗ под ограничителями каналов. Учитывается также, что этот градиент потенциала, переносящий сигнальные заряды, может быть улучшен применением структурированного, т.е. прерывистого МВЗ-слоя. Другая возможность состоит в том, чтобы изменить концентрацию легирования в запирающем слое, в МВЗ-слое или в подложке рядом с МВЗ-слоем с целью улучшения градиента потенциала, переносящего сигнальные заряды. В освещаемом спереди детекторе вторичные заряды, которые создаются в подложке, могут собираться ограничителями каналов внутри активной области и/или контактом в подложке, расположенным вне активной области на передней стороне детектора, и/или контактом в подложке, расположенным на краю детекторного кристалла или на задней стороне детекторного кристалла.

Сигнальные заряды могут стираться только малым напряжением в структуре, где в запирающем слое с электропроводностью первого типа имеется область легирования с электропроводностью второго типа или локальное ослабление легирования запирающего слоя между слоем модифицированного внутреннего затвора с электропроводностью второго типа и пиксельным легированием с электропроводностью второго типа. Данные заряды могут также стираться в структуре, где имеется канавка между легированием МВЗ-слоя и передней поверхностью детектора и где затвор управляет потоком сигнальных зарядов из слоя модифицированного внутреннего затвора к пиксельному легированию или к передней поверхности детектора через область легирования с электропроводностью второго типа, через щелевую структуру или через локальное сокращение легирования запирающего слоя.

Разделение сигнальных зарядов и созданных на поверхности зарядов может быть улучшено, например, с помощью области легирования с электропроводностью второго типа, расположенной между запирающим слоем и передней поверхностью детектора, или с помощью стробируемой структуры.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.2 показана альтернативная схема полупроводникового детектора излучения по фиг.1.

На фиг.3 показан другой вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.4 показаны электронные потенциалы полупроводникового детектора излучения по фиг.1, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки.

На фиг.5 показаны электронные потенциалы полупроводникового детектора излучения по фиг.2, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки.

На фиг.6. показаны электронные потенциалы полупроводникового детектора излучения по фиг.3, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки.

На фиг.7 показан еще один вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.8 показан детектор излучения по фиг.7 с использованием защитных структур.

На фиг.9 показаны электронные потенциалы полупроводникового детектора излучения по фиг.7, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки.

На фиг.10 показаны электронные потенциалы полупроводникового детектора излучения по фиг.8, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки.

На фиг.11 показаны четыре пикселя варианта полупроводникового детектора излучения.

На фиг.12 показаны четыре пикселя другого варианта полупроводникового детектора излучения.

На фиг.13 показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.11.

На фиг.14 показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.12.

На фиг.15 показаны четыре пикселя еще одного варианта полупроводникового детектора излучения.

На фиг.16А показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.15.

На фиг.16В показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.15.

На фиг.16С показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.15.

На фиг.16D показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.15.

На фиг.17А показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.17В показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.17С показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.17D показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.17Е показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.17F показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.17G показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.17Н показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.17G.

На фиг.17I показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.17G.

На фиг.18А показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.18В показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.18С показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.19 показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.20 показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.21 показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.22 показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.23 показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.24 показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.25 показан полупроводниковый детектор излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.

На фиг.26 показан другой вариант полупроводникового детектора излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.

На фиг.27А показано сечение полупроводниковых детекторов излучения по фиг.25 и 26.

На фиг.27В показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.26.

На фиг.28 показан полупроводниковый детектор излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.

На фиг.29 показан другой вариант полупроводникового детектора излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.

На фиг.30 показан полупроводниковый детектор излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.

На фиг.31 показан другой вариант полупроводникового детектора излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.

На фиг.32А показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.

На фиг.32В показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.

На фиг.32С показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.

На фиг.32D показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.

На фиг.33А показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.

На фиг.33В показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.

На фиг.33С показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.

На фиг.34А показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.

На фиг.34В показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.

На фиг.34С показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.

На фиг.34D показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.

На фиг.35А показан ленточный полупроводниковый детектор излучения, известный из уровня техники.

На фиг.35В показан ленточный полупроводниковый детектор излучения, известный из уровня техники.

На фиг.36 показаны результаты моделирования.

На фиг.37 показаны результаты моделирования.

На фиг.38 показаны результаты моделирования.

На фиг.39 показаны результаты моделирования.

На фиг.40 показаны результаты моделирования.

На фиг.41 показаны результаты моделирования.

На фиг.42 показаны результаты моделирования.

На фиг.43 показаны результаты моделирования.

На фиг.44А показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.44В показан вариант полупроводникового детектора излучения.

На фиг.44С показан вариант полупроводникового детектора излучения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематично показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения, который предпочтительно является тонким и освещается сзади. Передняя поверхность 101 полупроводникового детектора излучения на чертеже ориентирована вверх. Задняя поверхность 102 полупроводникового детектора излучения, через которую излучение проникает в детектор, на чертеже ориентирована вниз. На задней поверхности может быть необязательное просветляющее или сцинтилляционное покрытие. Подложка 103 детектора сделана из полупроводникового материала с электропроводностью первого типа. Первый и второй типы электропроводности в данном описании ассоциированы с полупроводниками с акцепторными и донорными примесями, обладающими избытком положительных и отрицательных зарядов соответственно (или наоборот). На передней стороне детектора, если следовать от задней поверхности к передней поверхности, имеется сначала слой 104 с электропроводностью второго типа, который далее называется слоем модифицированного внутреннего затвора (МВЗ). На устройстве по фиг.1 имеются промежутки в МВЗ-слое. Перед МВЗ-слоем 104 снова располагается слой 105 с электропроводностью первого типа, называемый в данном описании запирающим слоем. Поверх слоя 105 могут располагаться защитные изоляционные слои и проводящие слои, составляющие монтажные соединения, управляющие электроды, конденсаторы и т.п.

В запирающем слое 105 на передней поверхности детектора делаются структурированные, желательно пикселообразные, ионные легирования 111, 112, 113, 114, 115 с электропроводностью второго типа, которые далее называются пиксельными легированиями. Смещенные легирования 121, 122, 123, 124, 125 ограничителей каналов с электропроводностью первого типа располагаются между или рядом с пикселями. Штриховая линия 150 показывает границу области обеднения, когда между пиксельными легированиями и легированиями ограничителей каналов прикладывается смещающее напряжение V_P. В варианте по фиг.1 области обеднения для индивидуальных пикселей не объединяются и подложка оказывается под тем же потенциалом, что и примеси ограничителей каналов. Смещенные легирования ограничителей каналов собирают все вторичные заряды, создаваемые внутри полупроводникового детектора излучения, включая вторичные заряды, создаваемые внутри подложки. Таким образом, вторичные заряды собираются внутри активной области, которая содержит пиксели, и не нужно специально выводить вторичные заряды из активной области. По этой причине проводящий слой на задней стороне подложки не требуется.

Линия 160 разреза перпендикулярна передней и задней поверхностям и проходит через пиксельное легирование. Линия 170 разреза также перпендикулярна передней и задней поверхностям, но проходит через легирование ограничителя канала. Кривые электронного потенциала на линиях 160 и 170 разреза, соответствующие случаю, когда первым типом электропроводности является n-тип, а вторым типом электропроводности является р-тип, представлены на фиг.4. Кривая 403 электронного потенциала на линии 170 разреза является прямой горизонтальной линией, соответствующей оси расстояний. Прямые горизонтальные участки кривых потенциальной энергии соответствуют нейтральным областям, а наклонные участки соответствуют обедненным областям. Кривая 402 электронного потенциала соответствует линии 160 разреза и представляет случай, когда разность потенциалов между легированием ограничителя канала и пиксельным легированием составляет V_P. Внутри МВЗ-слоя формируется трехмерный минимум 412 потенциальной энергии для дырок, которые в этом случае являются сигнальными зарядами. Количество дырок в этом трехмерном минимуме потенциальной энергии может быть определено по уменьшению эффективной ширины канала полевого транзистора (ПТ) или по уменьшению эффективной ширины базы биполярного транзистора. На фиг.4 это соответствует уменьшению ширины 415. Область 416 внутри запирающего слоя является областью трехмерной седловой точки как для электронов, так и для дырок. Кривая 401 электронного потенциала на линии 160 разреза соответствует случаю, когда между легированиями ограничителей каналов и пиксельными легированиями прикладывается стирающее напряжение V_C. В этом случае трехмерный минимум 412 потенциальной энергии для дырок исчезает и сигнальные заряды собираются пиксельными легированиями.

На фиг.2 схематично показано сечение предпочтительно тонкого и освещаемого сзади полупроводникового детектора излучения, имеющего, подобно устройству по фиг.1, промежутки в МВЗ-слое. В этом случае, однако, напряжение смещения между легированиями ограничителей каналов и пиксельными легированиями настолько велико, что образуется единая объединенная область 250 обеднения. Пиксельное легирование 215 является охранным кольцом, окружающим активную область. Кривые электронного потенциала на линиях 260 и 270 разреза показаны на фиг.5. Когда разность потенциалов между легированием ограничителя канала и пиксельным легированием равна V_P, кривая 502 электронного потенциала соответствует линии 260 разреза, а кривая 503 электронного потенциала соответствует линии 270 разреза. Если разность потенциалов между легированием ограничителя канала и пиксельным легированием равна V_C, кривая 501 электронного потенциала соответствует линии 260 разреза, а кривая 504 электронного потенциала соответствует линии 270 разреза. Нейтральная область 513 на кривых 503 и 504 соответствует ограничителям каналов. Нейтральная область справа рядом с задней стороной устройства на кривых 501-504 электронного потенциала соответствует нейтральной подложке, которая не подключена. Когда разность потенциалов между легированиями ограничителей каналов и пиксельными легированиями равна V_P, т.е. лежит в интервале объединения сигнальных зарядов, на кривой 503 имеется барьер 514 потенциальной энергии для электронов вторичного заряда, которые собираются подложкой. Когда разность потенциалов между легированиями ограничителей каналов и пиксельными легированиями равна V_C, барьер потенциальной энергии на кривой 504 отсутствует и вторичные заряды, которые собираются подложкой в интервале объединения сигнальных зарядов, могут свободно перетекать к легированиям ограничителей каналов.

На фиг.3 схематично показано сечение предпочтительно тонкого и освещаемого сзади полупроводникового детектора излучения, имеющего непрерывный МВЗ-слой 304. Штриховая кривая 350 является границей области обеднения. Подложка в этом варианте детектора, как и в детекторе по фиг.2, не подключена. Принцип работы полупроводникового детектора излучения по фиг.3, проиллюстрированный на фиг.6, соответствует принципу работы полупроводникового детектора излучения по фиг.2.

Устройства по фиг.1-3 являются предпочтительно тонкими, освещаемыми сзади полупроводниковыми детекторами излучения. В тонких детекторах ближнее инфракрасное излучение должно отфильтровываться, чтобы устранить краевой эффект. Детекторы по фиг.1-3 могут также освещаться спереди. В этом случае желательно, чтобы подложка была толщиной в несколько сотен микрометров, а область обеднения на передней стороне детектора - всего несколько микрометров. Благодаря толстой подложке отпадает необходимость отфильтровывать ближнее инфракрасное излучение. Детекторы по фиг.1-3 могут также иметь дополнительные слои и структуры, такие как просветляющие покрытия, цветные фильтры, микролинзы, сцинтилляционные слои и т.п. Следует заметить, что в случае освещения с передней стороны возможные материальные слои на задней стороне подложки не являются существенными для использования устройства и что в случае освещения сзади возможные материальные слои на передней стороне устройства не являются существенными для его применения. В детекторах по фиг.1-3 вторичные заряды собираются внутри активной области легированиями ограничителей каналов, т.е. проводящий слой на задней поверхности не нужен. Таким образом удается избежать трудностей, связанных с изготовлением тонкого проводящего слоя на задней стороне тонкого детектора и с работой такого детектора.

На фиг.7 показан освещаемый спереди вариант полупроводникового детектора излучения, в котором часть вторичных зарядов собирается легированиями ограничителей каналов, а часть - легированием с электропроводностью первого типа, действующим в качестве контакта 725 с подложкой. Этот контакт 725 находится на передней стороне детектора, но он также может быть на задней стороне детектора или на краю 700 детекторного кристалла. Если легирование 715 формирует пиксель, желательно, чтобы легирования ограничителей каналов были при том же потенциале, что и контакт 725. Принцип работы такого детектора представлен на фиг.9. Граница 750 области обеднения также изображена на фиг.7.

На фиг.9 показана ситуация, когда первым типом электропроводности является n-тип, а вторым типом проводимости - р-тип. Кривые 901 и 902 на фиг.9 представляют потенциальные энергии электрона на линии 760 разреза, которая проходит через пиксельное легирование. Кривая 901 соответствует ситуации, когда пиксельное легирование 111 подсоединено к потенциалу V_P, а кривая 902 соответствует ситуации, когда на пиксельное легирование 111 подается стирающее напряжение V_C. Кривая 903 представляет потенциальную энергию электрона на линии 770 разреза. Трехмерная седловая точка 914 как для электронов, так и для дырок формирует барьер для электронов вторичного заряда. Часть вторичных зарядов, таким образом, собирается контактом 725. Если легирование 715 формирует охранное кольцо, окружающее активную область, легирования ограничителей каналов и контакт 725 подложки могут находиться под разными потенциалами. Эта ситуация показана на фиг.10. Кривая 1003 на фиг.10 представляет потенциальную энергию электрона на линии 770 разреза. Нейтральная подложка и ограничители каналов в этом случае находятся под различными потенциалами, т.е. нейтральная подложка находится под нулевым потенциалом, а ограничители каналов - под потенциалом V_CS.

На фиг.8 показан другой освещаемый спереди вариант полупроводникового детектора излучения. В этом детекторе дополнительные охранные кольца 816, 817 и 818 окружают внутреннее охранное кольцо 215. Благодаря структурированному МВЗ-слою никакие структуры с канавками в этих охранных кольцах не нужны. Слой 808 является необязательным слоем полупроводника с электропроводностью первого типа. Желательно, чтобы слой 808 имел значительно более высокое сопротивление, чем подложка. Желательно также, чтобы он получался эпитаксиальным выращиванием. Слой 808 может также быть глубокой потенциальной ямой, причем в этом случае он может быть структурирован. На фиг.8 показана также граница 850 области обеднения. Если необязательный слой 808 не используется, принцип работы детектора по фиг.8 точно соответствует характеристикам, представленным на фиг.10, т.е. кривые 901 и 902 потенциальной энергии электрона соответствуют линии 860 разреза, а кривая 1003 потенциальной энергии электрона соответствует линии 870 разреза. Если необязательный слой 808 используется, единственным отличием от фиг.10 является то, что потенциальные кривые 901, 902 и 1003 обрываются, по существу, на границе раздела слоя 808 и подложки, обладающей низким сопротивлением. Желательно, чтобы необязательный слой 808 был сделан из полупроводникового материала с электропроводностью первого типа, но он также может быть сделан из полупроводникового материала с электропроводностью второго типа. Это, однако, потребовало бы технологической операции вытравливания глубоких канавок через такой необязательный слой, чтобы избежать большого тока утечки, возникающего на краю детекторного кристалла.

Следует отметить, что ограничители каналов в детекторах по фиг.7 и 8 могли бы быть неподключенными в том смысле, что вторичный ток тек бы с ограничителей каналов через потенциальный барьер, образуемый в МВЗ-слое, к подложке, где он собирался бы контактом 725 подложки. В случае неподключенных ограничителей каналов полупроводниковым материалом является кремний, диоксид кремния (который далее для краткости именуется оксидом) используется в качестве изоляционного материала, а первым типом электропроводности является n-тип. Никаких легирований ограничителей каналов не требуется. В этом случае положительный заряд оксида приводит к накоплению слоя электронов на границе раздела кремния и оксида. Этот двумерный (2М) слой газа электронов функционирует как ограничитель канала. Двумерный слой газа электронов или дырок может быть сформирован также искусственно на границе раздела между полупроводником и изолятором при использовании правильно смещенной МОП-структуры. В этом случае двумерный слой газа зарядов и МОП-структура образуют ограничитель канала. Область ограничителя канала, таким образом, может быть сформирована из двумерного слоя газа зарядов или из легирования ограничителя канала, или из того и другого. Детекторы по фиг.7 и 8 могут иметь разрывы в МВЗ-слое точно так же, как детекторы по фиг.1 и 2. Если ограничители каналов и подложка смещаются различными потенциалами, разрывы в МВЗ-слое должны быть такими, чтобы никакой ток не тек между подложкой и ограничителями каналов. Если ограничители каналов не находятся под различными потенциалами, разрывы в МВЗ-слое могут быть произвольно широкими. В этом случае ограничители каналов либо не подключены, либо находятся под тем же потенциалом, что и подложка.

Важно отметить, что фиг.7-10 изображены не в масштабе, поскольку подложка на самом деле значительно толще, чем показано на чертеже, т.е. желательно, чтобы подложка была толщиной во многие сотни микрометров. Желательно также, чтобы подложка имела малое сопротивление, т.е. значительно меньшее, чем почти беспримесная подложка, представленная в заявках PCT/FI 2004/000492 и PCT/FI 2005/000359. В полупроводниковых детекторах излучения по фиг.7-8 часть вторичных зарядов собирается внутри активной области легированиями ограничителей каналов, а часть вторичных зарядов переносится через подложку к контакту 725 подложки. Благодаря переднему освещению и низкому сопротивлению подложки никакого проводящего слоя на задней поверхности не требуется. Трудности, связанные с изготовлением тонкого проводящего слоя на задней поверхности тонкого детектора и с работой такого детектора, таким образом, обходятся.

Основное различие между описанными ранее вариантами детектора с задним и с передним освещениями состоит в том, что освещаемые спереди детекторы намного дешевле в изготовлении, чем освещаемые сзади детекторы. При этом освещаемые спереди детекторы имеют меньший коэффициент заполнения и поэтому меньшую квантовую эффективность в видимом диапазоне спектра, чем освещаемые сзади детекторы.

На фиг.11 показан вариант полупроводникового детектора излучения, в котором сигнальные заряды могут стираться с использованием только малого напряжения, т.е. пиксельные легирования не должны подключаться к стирающему напряжению для удаления сигнального заряда. Область 1191 не принадлежит МВЗ-слою в том смысле, что она соответствует маске МВЗ-слоя. Область 1191, образующая разрыв в МВЗ-слое, помогает собирать сигнальные заряды, улучшая градиент потенциала, переносящий сигнальные заряды в МВЗ-слое. Легирование 1121 ограничения канала собирает вторичные заряды. На фиг.11 имеются четыре пикселя, из которых линия 1180 разреза частично разрезает два пикселя. Линия 1180 разреза соответствует сечению, представленному на фиг.13. Пиксельные легирования 1331, 1332 и 1333 с электропроводностью второго типа являются легированиями истока и стока сдвоенного полевого МОП-транзистора, принадлежащего одному пикселю, а проводники 1341 и 1342 являются затворами сдвоенного МОП-транзистора. Пиксельные легирования 1335, 1336 и 1337 являются легированиями истока и стока, а проводники 1344 и 1345 - затворами двойного МОП-транзистора, принадлежащего другому пикселю. Сигнальные заряды собираются в необязательных локальных усилениях 1392 легирований МВЗ-слоя, которые располагаются под затворами. Локальное усиление легирования МВЗ-слоя под затвором полевого транзистора или под эмиттером биполярного транзистора улучшает динамический диапазон детектора. Сигнальные заряды могут перемещаться внутри пикселя между локальными усиления