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用于辐射检测的半导体器件

阅读：1071发布：2021-01-14

IPRDB可以提供用于辐射检测的半导体器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种用于辐射检测的半导体器件(11)，其包括：由例如硅等的衬底半导体材料构成的衬底区域(1)以及在半导体器件(11)的表面上的检测区域(3)，在检测区域(3)中，当电磁辐射(L)入射到半导体器件(11)上时产生并检测第一导电类型的电荷载流子，例如电子。该半导体器件(11)还包括由阻挡半导体材料或绝缘材料材料构成的阻挡区域(2，5，14)，该阻挡区域(2，5，14)是衬底区域(1)和检测区域(3)之间的用于电离辐射(X)(例如X射线)透射到衬底区域(1)中而在衬底区域(1)中产生的电荷载流子的障碍物。通过这种方式，本发明提供一种用于辐射检测的半导体器件(11)，其中减少了透射到衬底区域(1)中的如X射线等的电离辐射(X)对半导体器件的性能的影响。，下面是用于辐射检测的半导体器件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于辐射检测的半导体器件(11)，包括：由衬底半导体材料构成的衬底区域(1)以及在所述半导体器件(11)的表面上的检测区域(3)，在该检测区域(3)中，当电磁辐射(L)入射到所述半导体器件(11)上时产生电荷载流子，并且检测第一导电类型的电荷载流子，该半导体器件(11)还包括阻挡区域(2，5，14)，该阻挡区域是所述衬底区域(1)和所述检测区域(3)之间的障碍物，该障碍物用于限制电离辐射(X)透射到所述衬底区域(1)中而在衬底区域(1)中产生的所述第一导电类型的电荷载流子，该半导体器件(11)还包括由所述第一导电类型的半导体材料构成的泄漏区域(6)，其延伸到所述衬底区域(1)中并与所述检测区域(3)的侧面区域和所述阻挡区域(2，5，14)的侧面区域相邻。

2.如权利要求1所述的器件，其中所述阻挡区域(2，5)包括半导体材料。

3.如权利要求2所述的器件，其中所述阻挡区域(2)和所述衬底区域(1)为与所述第一导电类型相反的第二导电类型，其中所述阻挡区域(2)具有比所述衬底区域(1)高的掺杂水平。

4.如权利要求2所述的器件，其中所述阻挡区域(2，5)还包括降低所述阻挡区域(2，5)的带隙的另一半导体材料。

5.如权利要求4所述的器件，其中所述阻挡区域的所述半导体材料包括硅，而所述阻挡区域的所述另一半导体材料包括硅和锗的混合物。

6.如权利要求1所述的器件，其中所述检测区域(3)的与所述泄漏区域(6)相邻的侧面区域为与所述第一导电类型相反的第二导电类型。

7.如权利要求2所述的器件，其中所述衬底区域(1)和所述阻挡区域(5)为与所述第一导电类型相反的第二导电类型，所述阻挡区域(5)位于所述检测区域(3)和另一阻挡区域(4)之间，该另一阻挡区域(4)包括所述第一导电类型的第二半导体材料，并位于所述阻挡区域(5)和所述衬底区域(1)之间。

8.如权利要求7所述的器件，其中所述泄漏区域(6)还与所述另一阻挡区域(4)的侧面区域相邻。

9.如权利要求1所述的器件，其中所述阻挡区域(14)包括绝缘材料。

10.如权利要求9所述的器件，其中所述检测区域(3)包括与所述第一导电类型相反的第二导电类型的界面区(13)，其与所述阻挡区域(14)相邻。

11.如权利要求7或9所述的器件，其中所述衬底区域(1)具有高于1016原子/cm3的掺杂水平。

12.如权利要求1所述的器件，其中所述衬底区域(1)包括减少所述衬底区域(1)中的所述电荷载流子的寿命的复合区。

13.如权利要求12所述的器件，其中所述复合区是通过氧原子的扩散和沉积形成的。

说明书全文

本发明涉及一种用于辐射检测的半导体器件。

在本领域中用于检测电磁辐射的半导体基器件或传感器是已知的。这些传感器是采用IC(集成电路)技术，如MOS(金属氧化物半导体)、CMOS(互补金属氧化物半导体)或CCD(带电耦合器件)技术，并利用所谓的集电结而在衬底上实现的，其中所述集电结是适于收集由于电磁辐射而在衬底中产生的电荷载流子的区域，并且是pn-或np-结。

为了检测电离辐射，如X射线，可以施加闪烁材料，其中电离(X射线)辐射撞击该闪烁材料产生电磁辐射，然后通过光电检测器检测该电磁辐射。用采用低成本CMOS或MOS技术实现的半导体基传感器代替光电检测器，可带来多种优点，如成本降低和集成的功能性。然而，电离辐射也能通过闪烁材料，并且电离辐射透射到衬底中的深度比电离辐射撞击在闪烁材料上而产生的电磁辐射更深。因而，电离辐射也在衬底中产生不想要的或寄生的电荷载流子，这降低了电磁辐射的检测功能性，并因此大大降低了半导体基传感器的性能。

US6690074公开了一种用于减少辐射感应电流的半导体器件结构，其中辐射感应电流是由入射电离辐射产生的。该结构包括衬底、在衬底中的第二导电类型的两个或多个区域、以及第一导电类型的防护环，该防护环用于阻挡在第二导电类型的两个或多个区域之间的辐射感应寄生电流。该结构可以用在像素中，例如二极管中或晶体管中，其对电磁辐射是灵敏的，用于增加抗辐射性。这种器件的缺点是它只能阻挡第二导电类型的两个或多个区域之间的辐射感应寄生电流，并且它不能阻挡衬底和器件之间的进一步的寄生电流，该进一步的电流是由在器件下面透射到衬底中的辐射感应的，并且有害地降低了该器件的性能。

本发明的目的是提供一种用于辐射检测的半导体器件，其中减少了透射到衬底中的电离辐射对半导体器件的性能的影响。本发明提供一种用于辐射检测的半导体器件及其有利实施例。

根据本发明的用于辐射检测的半导体器件包括：衬底半导体材料的衬底区域和在半导体器件的表面上的检测区域，在该检测区域中，当电磁辐射入射到半导体器件上时产生并检测第一导电类型的电荷载流子。该半导体器件还包括阻挡区域，它是衬底区域和检测区域之间的用于电离辐射透射到衬底区域中而在衬底区域中产生的电荷载流子的障碍物。通过在衬底和半导体器件之间设置用于电离辐射在衬底中产生的寄生电流的障碍物，大大减少了电离辐射在衬底区域中产生并到达检测区域的寄生电荷载流子的数量。因此，这些寄生电荷载流子对半导体器件的负面影响大大减小了，并能提高电磁辐射的检测精确度。

在根据本发明的器件的实施例中，阻挡区域包括阻挡半导体材料。该半导体基阻挡区域可以限制电离辐射在衬底区域中产生的寄生电荷载流子。在有利的实施例中，阻挡区域和衬底区域是第二导电类型的，与第一导电类型相反，其中阻挡区域具有比衬底区域高的掺杂水平。通过这种方式，相对高掺杂的阻挡区域有利地限制了由电离辐射在衬底区域中产生的并且导电类型与第二导电类型相反的寄生电荷载流子。

在有利的实施例中，包括阻挡半导体材料的阻挡区域还包括降低阻挡区域的带隙的另一阻挡半导体材料，这便于寄生电荷载流子在阻挡区域中复合。优选地，阻挡半导体材料包括硅，并且另一阻挡半导体材料包括硅和锗的混合物。

在另一有利的实施例中，半导体器件还包括第一导电类型的泄漏半导体材料的泄漏区域(draining region)，其延伸到衬底区域中并与检测区域的侧面区域和阻挡区域的侧面区域相邻。作为第一导电类型的泄漏区域有利地使由电离辐射在衬底区域中产生的第一导电类型的寄生电荷载流子下沉。优选地，与泄漏区域相邻的检测区域的侧面区域是第二导电类型的，与第一导电类型相反，由此有利地横向限制了检测区域并减小了在检测区域中所产生的电荷载流子到达泄漏区域的可能性。

在根据本发明的另一实施例中，包括阻挡半导体材料的衬底区域和阻挡区域是与第一导电类型相反的第二导电类型，并且阻挡区域处于检测区域和另一阻挡区域之间，该另一阻挡区域包括第一导电类型的第二阻挡半导体材料并处于阻挡区域和衬底区域之间。第一导电类型的另一阻挡区域使由电离辐射在衬底区域中产生的第一导电类型的寄生电荷载流子下沉。优选地，衬底区域具有高于1016原子/cm3的掺杂水平。相对于衬底区域的较低掺杂水平来说，第二导电类型的衬底区域的相对高的掺杂水平减少了衬底区域中的第一导电类型的寄生电荷载流子的寿命。

在根据本发明的另一实施例中，阻挡区域包括绝缘材料，由此有效地阻挡衬底区域中产生的寄生电荷载流子进入检测区域中。在有利的实施例中，检测区域包括与第一导电类型相反的第二导电类型的界面区域，其与包括绝缘材料的阻挡区域相邻。界面区域减小了在检测区域中产生的电荷载流子在绝缘区域的表面复合的可能性。优选地，衬底区域具有高于1016原子/cm3的掺杂水平。相对于衬底区域的较低掺杂水平来说，第二导电类型的衬底区域的相对高的掺杂水平减少了衬底区域中的第一导电类型的寄生电荷载流子的寿命。

在根据本发明的另一实施例中，衬底区域包括复合区，其减少了衬底区域中电荷载流子的寿命。这减少了到达阻挡区域的寄生载流子的数量。在优选实施例中，复合区是通过氧原子的扩散和沉积形成的。

本发明的这些和其它方面将通过参照附图而进一步阐述和说明，其中：

图1是根据现有技术的器件的实施例的示意性剖面图；以及

图2-6是根据本发明的器件的实施例的示意性剖面图。

附图不是按照比例绘制的。一般情况下，相同的部件在附图中用相同的参考标记表示。

当受到高能带电粒子(例如X射线X)撞击时，闪烁材料发射低能光子或电磁辐射，通常在可见光范围内。在用于检测电离辐射(例如X射线X)的半导体器件11中，X射线X穿过闪烁材料，由此产生电磁辐射，然后通过根据本发明的半导体器件11进行检测。然而，穿过闪烁材料的X射线X也将穿透半导体器件11。图1示出电磁辐射L，用箭头L表示，并来自受到X射线X撞击的闪烁材料(未示出)，撞击在半导体器件11上并穿透半导体器件11。此外，由虚线箭头X表示的X射线也穿透闪烁材料(未示出)，进入半导体器件11。半导体器件11包括检测区域3，它可以使用本领域已知的器件和技术通过检测在这种情况下的电子来检测电磁辐射L，所述电子是由电磁辐射L产生的。此外，半导体器件11包括衬底区域1，这里它是p型材料的，X射线X将透射到其中，其中，具有比X射线X相对低的能量的电磁辐射L将只透射到检测区域3中。X射线X在衬底区域1中产生电子和空穴，这种情况下，X射线产生的电子的一部分透射到检测区域3中，由此干扰由电磁辐射L产生的电子的检测，这不利地影响了用于检测电磁辐射的半导体器件11的性能。

为了减少X射线产生的电子对半导体器件11的性能的影响，在半导体器件11中、在检测区域3和衬底区域1之间形成p型阻挡区域2，其包括半导体材料，例如硅，如图2所示。P型阻挡区域的掺杂水平高于衬底区域1的掺杂水平，这就将X射线产生的电子限制到衬底区域1上并使更少的X射线产生的电子穿过更高掺杂的p型阻挡区域2从衬底区域1进入检测区域3。

通过在衬底区域1中引入氧原子减少到达检测区域3的X射线产生电子的数量，由此在衬底区域1中产生晶体缺陷，这便于X射线产生的电子在衬底区域中复合。例如，通过三步炉步骤(three-step furnace step)来扩散和沉积氧原子，其中第一步包括在氮环境中、在1100℃到1150℃温度下将氧从表面扩散到衬底区域1中，时间是2到6小时。接下来第二步包括在600℃到700℃的温度下对氧进行沉积，最后第三步包括在氮环境中、在1000℃到1100℃温度下经过以1℃/分钟的速度缓慢增大温度，而通过沉积氧团簇生成晶体缺陷，时间是0.5到2小时。氧原子的浓度在1017到1018氧原子/cm3的数量级上。

在另一实施例中，p型阻挡区域2包括硅和锗的混合物，优选锗掺杂水平使得用于X射线产生的电子的势垒在衬底区域1的一侧低于在检测区域3的一侧的势垒。这使得X射线产生的电子难以进入检测区域3中。P型阻挡区域2中的锗相对于硅的1.11eV的值减小了该区域的带隙，这利于X射线产生的电子与空穴在p型阻挡区域2中复合，由此减少了X射线产生的电子的数量。优选地，锗含量很高，在20％-30％范围内。

图3示出了图2中所示的实施例的进一步改进。n型插塞区6穿透衬底区域1并与检测区域3和p型阻挡区域2的侧面相邻。n型插塞区6使经过扩散到达n型插塞区6的X射线产生的电子下沉或泄漏。优选地，n型插塞区6与检测区域3中的每个光电二极管(未示出)相邻。通过在n型插塞区6和检测区域3之间形成p型插塞区7，如图4所示，减少了在检测区域3中产生的电子在n型插塞区6中的任何泄漏。应该注意的是，n型插塞区6还可以用电绝缘区代替，例如用二氧化硅填充的浅沟槽隔离区。在这种情况下，p型插塞区7减小了在检测区域3中产生的电子到达电绝缘区和p型插塞区7之间的界面处的复合位置的可能性。

减少到达检测区域3的X射线产生的电子的数量的另一种方式示于图5中。这种情况下，半导体器件11包括在检测区域3下面的p型阻挡区域5和在p型阻挡区域5与衬底区域1之间的掩埋n型阻挡区域4。任选地，衬底区域1具有相对高的掺杂水平，例如1016原子/cm3或更高。衬底区域1的相对高的掺杂水平减少了衬底区域1中的X射线产生的电子的寿命，并且掩埋n型区4使来自衬底区域1的试图进入检测区域3的X射线产生的电子下沉或泄漏。P型区5具有1015原子/cm3或更高量级的掺杂水平。

图6示出另一实施例，其中半导体器件11包括在检测区域3和例如二氧化硅的隔离阻挡区域14之间的p型界面区13，该隔离阻挡区域14位于p型界面区13和衬底区域1之间。隔离区14阻挡由X射线在衬底区域1中产生的电子进入检测区域3。P型界面区13具有比检测区域3的相邻p型区域更高的掺杂水平，由此减小了在检测区域3中产生的电子到达隔离阻挡区域14和p型阻挡区域5之间的界面处的复合位置的可能性。

应该注意的是，图5和图6的实施例中可任选地增加n型插塞区6和任选的p型插塞区7(参见图3和图4)。

总之，本发明提供一种用于辐射检测的半导体器件，其包括：由衬底半导体材料如硅构成的衬底区域，以及在半导体器件的表面上的检测区域，在该检测区域中，当电磁辐射入射到半导体器件上时产生并检测第一导电类型的电荷载流子，如电子。该半导体器件还包括阻挡半导体材料或绝缘材料的阻挡区域，该阻挡区域是衬底区域和检测区域之间的用于电离辐射(如X射线)透射到衬底区域中而在衬底区域中产生的电荷载流子的障碍物。通过这种方式，本发明提供一种用于辐射检测的半导体器件，其中减少了透射到衬底区域中的如X射线等的电离辐射对半导体器件的性能的影响。

应该注意的是，上述实施例只是举例说明，并不限制本发明，本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可以设计很多替换实施例。在权利要求中，位于括号中的任何参考标记都不应理解为对权利要求的限制。用词“包括”不排除还存在权利要求中所列出的元件或步骤以外的其它元件或步骤。在元件前面的词语“一”或“一个”不排除存在多个这种元件的情况。

标题	发布/更新时间	阅读量
冷电离辐射灭菌-专利编号CN105664197A	2020-05-12	312
电离辐射探测-专利编号CN103562746A	2020-05-11	623
电离辐射防护剂-专利编号CN1030083C	2020-05-13	915
电离辐射防护剂-专利编号CN1069992A	2020-05-11	917
电离辐射剂量计-专利编号CN86108587A	2020-05-13	87
电离辐射探测器-专利编号CN101971053A	2020-05-11	357
电离辐射探测器-专利编号CN101044415A	2020-05-13	583
电离辐射探测器-专利编号CN101971053B	2020-05-12	636
冷电离辐射灭菌-专利编号CN102099060A	2020-05-11	993
电离辐射探测-专利编号CN103562746B	2020-05-12	249

用于辐射检测的半导体器件

本发明涉及一种用于辐射检测的半导体器件。

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