BE1027026B1 - Gradiënt fotodiode - Google Patents

Abstract

Een fotodiode (100), omvat een ladinggenererende laag (101) voor het omzetten van invallende straling in ladingsdragers, waarbij de ladinggenererende laag halfgeleidermateriaal van een eerste type omvat, met een eerste doteringsconcentratie, en een ladingstransportgebied (102) dat halfgeleidermateriaal van een tweede type omvat, selectief verzonken in de ladinggenererende laag (101), en zich longitudinaal in een eerste richting (x) uitstrekkend. Het ladingstransportgebied (102) heeft een vooraf bepaalde constante breedte langs een tweede richting (y) loodrecht op de eerste richting (x). De ladinggenererende laag (101) omvat daarenboven minstens één geïmplanteerd gebied (103a-b) met halfgeleidermateriaal van het eerste type met een tweede doteringsconcentratie groter dan de eerste doteringsconcentratie. Elk geïmplanteerd gebied (103a-b) strekt zich longitudinaal uit in de eerste richting (x) en is door een tussenruimte van het ladingstransportgebied (102) gescheiden. Een in de tweede richting (y) gemeten breedte (w, w') van minstens één tussenruimte neemt in de eerste richting (x) monotoon toe, zodat een variërende elektrische depletiepotentiaal een longitudinaal, zich ten minste doorheen het ladingstransportgebied (102) uitstrekkend, elektrisch driftveld veroorzaakt, waardoor gegenereerde ladingen op een versnelde manier in de eerste richting (x) naar een met de fotodiode aansluitbaar ladingsverzamelgebied toe verplaatst worden.

Description

Gradiënt fotodiode Toepassingsgebied van de uitvinding Deze uitvinding heeft in het algemeen betrekking op fotodiodes en beeldsensoren die er gebruik van maken.

Meer specifiek heeft de onderhavige uitvinding betrekking op langwerpige fotodiodes met hoge snelheidsladingsoverdracht, en daarop gebaseerde beeldsensoren.

Achtergrond van de uitvinding CMOS of CCD beeldsensoren worden vaak in consumentenelektronica toegepast, bijvoorbeeld in camera’s van mobiele telefoons, maar ook op het gebied van medische en wetenschappelijke beeldvorming.

De laatstgenoemden hebben naast de nood aan goede resolutie ook nood aan voldoende lichtgevoeligheid bij zwakke lichtsignalen.

In een oplossing daarvoor zorgen fotodiodes met grotere afmetingen voor de verhoogde opbrengst van ladingen.

Dergelijke grote fotodiodes hebben echter het nadeel een grotere donkerstroom te hebben, die dan een verminderde signaal-ruisverhouding tot gevolg heeft, bijvoorbeeld bij transport van de elektrische ladingen naar een gebied waarin ladingen voor het uitlezen in potentiaalputten vergaard en vastgehouden worden.

Dankzij de ontwikkeling van vastgepinde fotodiodes wordt de donkerstroom in hoge mate beperkt.

Het voortbestaan van problemen met betrekking tot de benodigde tijdsduur voor het ladingstransport vergen verdere technologische oplossingen.

US 2011/0187908 beschrijft een fotodiode die geschikt is voor hoge snelheden.

De — fotodiode omvat een halfgeleiderlaag van een eerste geleidingstype waarin elektrische ladingen door ontvangen lichtsignalen gegenereerd worden, en een in de halfgeleiderlaag verzonken gebied met een tweede geleidingstype dat voor het transporteren van gegenereerde ladingen naar een vergaringsgebied toe geschikt is.

Het verzonken ladingstransportgebied heeft een variërende breedte en/of een longitudinaal variërend doteringsprofiel.

Bij deze oplossing bestaat een nadeel in de bijkomende verwerkingsstappen en/of benodigde fotomaskers voor het implanteren van een longitudinaal variërend doteringsprofiel.

Een zich verbredend ladingstransportgebied leidt ook tot een onregelmatig lichtgevoelig oppervlak, waardoor de kwantumopbrengst per fotodiode verminderd wordt.

Omwille van de bovengenoemde nadelen, is er steeds behoefte aan verdere of alternatieve oplossingen, in het bijzonder voor toepassingen die een hoge rasterfrequentie hebben.

Samenvatting van de uitvinding Het is een doelstelling van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding om goede transportkenmerken van fotoladingen in fotodiodes te realiseren, zodanig dat gevoelige fotodiodes met grotere afmetingen van kortere tijdsduur voor het ladingstransport genieten.

Langwerpige fotodiodes, zoals bekend, zijn gekenmerkt door een groot dynamisch bereik en een goede signaal-ruis-verhouding, maar lijden onder een snel toenemende collectietijd voor de gegenereerde fotoladingen.

De bovengenoemde doelstelling wordt verwezenlijkt door een fotodiode volgens uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding evenals door daarop gebaseerde lichtgevoelige elementen en beeldsensoren.

In een eerste aspect voorziet de huidige uitvinding in een fotodiode. De fotodiode omvat een ladinggenererende laag voor het omzetten van invallende straling in ladingsdragers, waarbij de ladinggenererende laag halfgeleidermateriaal van een eerste type omvat, met een eerste doteringsconcentratie; en een ladingstransportgebied dat halfgeleidermateriaal van een tweede type omvat, selectief verzonken in de ladinggenererende laag, en zich longitudinaal in een eerste richting (x) uitstrekkend. Het ladingstransportgebied heeft een vooraf bepaalde constante breedte langs een tweede richting loodrecht op de eerste richting, en de ladinggenererende laag omvat daarenboven minstens één geïmplanteerd gebied met halfgeleidermateriaal van het eerste type, met een tweede doteringsconcentratie groter dan de eerste doteringsconcentratie.

Elk geïmplanteerd gebied strekt zich longitudinaal uit in de eerste richting en is door een tussenruimte van het ladingstransportgebied gescheiden. Een in de tweede richting gemeten breedte van minstens één tussenruimte in de eerste richting neemt monotoon toe, zodat een variërende elektrische depletiepotentiaal een longitudinaal, zich ten minste doorheen het ladingstransportgebied uitstrekkend, elektrisch driftveld veroorzaakt.

In een fotodiode volgens uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding, kan de ladinggenererende laag ten minste twee geïmplanteerde gebieden omvatten die aan weerszijden van het ladingstransportgebied zijn aangebracht.

In een fotodiode volgens uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding, kan het minstens één geïmplanteerd gebied gevormd zijn op of in een bovenoppervlak van de ladinggenererende laag en kan het zich erin neerwaarts uitstrekken tot een eerste diepteniveau, waarbij het eerste diepteniveau dieper is dan een tweede diepteniveau geassocieerd met een onderste grenslaag tussen het verzonken ladingstransportgebied en de ladinggenererende laag.

In uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding kan de ten minste één tussenruimte tussen het geïmplanteerd gebied en het ladingstransportgebied lateraal breder worden infunctie van afstand in de eerste richting, overeenkomstig een functionele relatie die een elektrische depletiepotentiaal toekent aan een breedte van de tussenruimte zodat de variërende elektrische depletiepotentiaal lineair toeneemt in de eerste richting.

In andere uitvoeringsvormen kan de ten minste één tussenruimte stapsgewijs verbreden zodanig dat een aantal stappen in de eerste richting een lineair groeiende elektrische depletiepotentiaal benadert.

In uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding kan de ladinggenererende laag verder een vasthoudlaag van het eerste geleidingstype omvatten met een derde doteringsconcentratie groter dan de eerste doteringsconcentratie, waarbij de vasthoudlaag in contact is met en gevormd is onder een deel van het bovenoppervlak van de ladinggenererendde laag, welk deel geselecteerd is om ten minste het verzonken ladingstransportgebied te bedekken. In specifieke uitvoeringsvormen connecteert de vasthoudlaag met het ten minste één geïmplanteerd gebied en zijn de tweede en derde doteringsconcentraties nagenoeg gelijk.

In een fotodiode volgens één van de voorgaande conclusies, is het halfgeleidermateriaal van het ladingstransportgebied en van de ladinggenererende laag hetzelfde.

In specifieke uitvoeringsvormen is het ladingstransportgebied uit n-type halfgeleidermateriaal is gevormd.

De doteringsconcentratie van het ladingstransportgebied kan nagenoeg constant zijn.

In een tweede aspect voorziet de uitvinding in een lichtgevoelig element dat de fotodiode volgens één van de voorgaande conclusies omvat, een ladingsverzamelgebied verbonden met het ladingstransportgebied van de fotodiode voor het collecteren van getransporteerde ladingen, een zwevende diffusie, en een overdrachtspoort voor het overbrengen van gecollecteerde ladingen naar de zwevende diffusie, aangestuurd door een overdrachtssignaal.

Het ladingsverzamelgebied kan gevormd zijn als een verbreed verlengde van het ladingstransportgebied van de fotodiode.

In een lichtgevoelig element volgens specifieke uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding, is een longitudinale afmeting van het ladingsverzamelgebied in de eerste richting ten hoogste drie keer groter dan een longitudinale afmeting van het ladingstransportgebied in dezelfde richting.

In een derde aspect voorziet de huidige uitvinding in een beeldsensor omvattende meerdere lichtgevoelige elementen volgens uitvoeringsvormen van het tweede aspect, logisch gerangschikt in rijen en kolommen van een rooster, waarbij de meerdere lichtgevoelige elementen in of op hetzelfde halfgeleider substraat gevormd zijn.

Een beeldsensor volgens uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding kan verder een aantal hoog gedoteerde putgebieden van het eerste geleidingstype omvatten, die de lichtgevoelige elementen omgeven.

Specifieke en voorkeurdragende aspecten van de uitvinding zijn opgenomen in de aangehechte onafhankelijke en afhankelijke conclusies.

Kenmerken van de afhankelijke conclusies kunnen worden gecombineerd met kenmerken van de onafhankelijke conclusies en met kenmerken van verdere afhankelijke conclusies zoals aangewezen en niet enkel zoals uitdrukkelijk in de conclusies naar voor gebracht.

Voor het samenvatten van de uitvinding en de bereikte voordelen ten opzichte van de stand van de techniek werden bepaalde doelstellingen en voordelen van de uitvinding hierboven beschreven.

Het is uiteraard te begrijpen dat niet noodzakelijk al deze doelstellingen of voordelen kunnen bereikt worden door elke specifieke uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Dus, bijvoorbeeld, vakmensen zullen onderkennen dat de uitvinding kan worden belichaamd of uitgevoerd op een wijze die één voordeel of een groep van voordelen zoals hierin aangereikt bereikt of optimaliseert, zonder daarbij noodzakelijk andere doelstellingen of voordelen te bereiken die hierin kunnen aangereikt of gesuggereerd zijn.

Bovenstaande en andere aspecten van de uitvinding zullen duidelijk zijn en verhelderd worden met verwijzing naar de hiernavolgende beschreven uitvoeringsvorm(en). Korte beschrijving van de figuren De uitvinding zal nu verder worden beschreven, bij wijze van voorbeeld, met verwijzing naar de bijhorende figuren waarbij: FIG 1 een opengewerkte tekening van een fotodiode volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding toont; FIG 2 een bovenaanzicht van een fotodiode volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding toont; FIG 3 en FIG 4 verschillende dwarsdoorsneden van de in FIG 2 getoonde fotodiode zijn; FIG 5 en FIG 6 dwarsdoorsneden van twee specifieke uitvoeringsvormen van de uitvinding tonen; FIG 7 een grafiek van een vasthoudspanning-tussenruimteafstand-karakteristiek toont; FIG 8 een lichtgevoelig element in bovenaanzicht toont, welk element op een fotodiode volgens FIG 5 of FIG 6 gebaseerd is; FIG 9 een beeldsensor toont die fotodiodes volgens uitvoeringsvormen van de uitvinding omvat.

> BE2019/5067 De figuren zijn enkel schematisch en niet limiterend. In de figuren kunnen de afmetingen van sommige onderdelen overdreven en niet op schaal zijn voorgesteld voor illustratieve doeleinden. Afmetingen en relatieve afmetingen komen niet noodzakelijk overeen met effectieve uitvoeringsvormen van de uitvinding.

Referentienummers in de conclusies mogen niet worden geïnterpreteerd om de beschermingsomvang te beperken.

In de verschillende figuren verwijzen dezelfde referentienummers naar dezelfde of gelijkaardige elementen.

Gedetailleerde beschrijving van illustratieve uitvoeringsvormen De huidige uitvinding zal beschreven worden met betrekking tot bijzondere uitvoeringsvormen en met verwijzing naar bepaalde tekeningen; echter de uitvinding wordt daartoe niet beperkt maar is enkel beperkt door de conclusies.

De termen eerste, tweede, derde en dergelijke in de beschrijving en in de conclusies worden gebruikt voor het onderscheiden van gelijkaardige elementen en niet noodzakelijk voor het beschrijven van een volgorde, noch in de tijd, noch spatiaal, noch in rangorde of op enige andere wijze. Het dient te worden begrepen dat de termen op die manier gebruikt onder geschikte omstandigheden verwisselbaar zijn en dat de uitvoeringsvormen van de uitvinding hierin beschreven geschikt zijn om in andere volgorde te werken dan hierin beschreven of weergegeven.

Bovendien worden de termen bovenste, onderste, boven, voor en dergelijke in de beschrijving en de conclusies aangewend voor beschrijvingsdoeleinden en niet noodzakelijk om relatieve posities te beschrijven. Het dient te worden begrepen dat de termen die zo aangewend worden onder gegeven omstandigheden onderling kunnen gewisseld worden en dat de uitvoeringsvormen van de uitvinding hierin beschreven ook geschikt zijn om te werken volgens andere oriëntaties dan hierin beschreven of weergegeven.

Het dient opgemerkt te worden dat de term "omvat", zoals gebruikt in de conclusies, niet als beperkt tot de erna beschreven middelen dient geïnterpreteerd te worden; deze term sluit geen andere elementen of stappen uit. Hij is zodoende te interpreteren als het specificeren van de aanwezigheid van de vermelde kenmerken, waarden, stappen of componenten waarnaar verwezen wordt, maar sluit de aanwezigheid of toevoeging van één of meerdere andere kenmerken, waarden, stappen of componenten, of groepen daarvan niet uit. Dus, de omvang van de uitdrukking “een inrichting omvattende middelen A en B" dient niet beperkt te wordentot inrichtingen die slechts uit componenten A en B bestaan. Het betekent dat met betrekking tot de huidige uitvinding, A en B de enige relevante componenten van de inrichting zijn.

Verwijzing doorheen deze specificatie naar “één uitvoeringsvorm” of “een uitvoeringsvorm” betekent dat een specifiek kenmerk, structuur of karakteristiek beschreven in verband met de uitvoeringsvorm is opgenomen in tenminste één uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. Dus, voorkomen van de uitdrukkingen “in één uitvoeringsvorm” of “in een uitvoeringsvorm” op diverse plaatsen doorheen deze specificatie hoeven niet noodzakelijk allemaal naar dezelfde uitvoeringsvorm te refereren, maar kunnen dit wel doen. Voorts, de specifieke kenmerken, structuren of karakteristieken kunnen gecombineerd worden op eender welke geschikte manier, zoals duidelijk zou zijn voor een gemiddelde vakman op basis van deze bekendmaking, in één of meerdere uitvoeringsvormen.

Vergelijkbaar dient het geapprecieerd te worden dat in de beschrijving van voorbeeldmatige uitvoeringsvormen van de uitvinding verscheidene kenmerken van de uitvinding soms samen gegroepeerd worden in één enkele uitvoeringsvorm, figuur of beschrijving daarvan met als doel het stroomlijnen van de openbaarmaking en het helpen in het begrijpen van één of meerdere van de verscheidene inventieve aspecten. Deze methode van openbaarmaking dient hoe dan ook niet geïnterpreteerd te worden als een weerspiegeling van een intentie dat de uitvinding meer kenmerken vereist dan expliciet vernoemd in iedere conclusie. Eerder, zoals de volgende conclusies weerspiegelen, inventieve aspecten liggen in minder dan alle kenmerken van één enkele voorafgaande openbaar gemaakte uitvoeringsvorm. Dus, de conclusies volgend op de gedetailleerde beschrijving zijn hierbij expliciet opgenomen in deze gedetailleerde beschrijving, met iedere op zichzelf staande conclusie als een afzonderlijke uitvoeringsvorm van deze uitvinding.

Voorts, terwijl sommige hierin beschreven uitvoeringsvormen sommige, maar niet andere, in andere uitvoeringsvormen inbegrepen kenmerken bevatten, zijn combinaties van kenmerken van verschillende uitvoeringsvormen bedoeld als gelegen binnen de reikwijdte van de uitvinding, en vormen deze verschillende uitvoeringsvormen, zoals zou begrepen worden door de vakman. Bijvoorbeeld, in de volgende conclusies kunnen eender welke van de beschreven uitvoeringsvormen gebruikt worden in eender welke combinatie.

In de hier voorziene beschrijving worden talrijke specifieke details naar voren gebracht. Het is hoe dan ook te begrijpen dat uitvoeringsvormen van de uitvinding kunnen uitgevoerd worden zonder deze specifieke details. In andere gevallen zijn welgekende werkwijzen, structuren en technieken niet in detail getoond om deze beschrijving helder te houden.

Het eerste aspect van de huidige uitvinding heeft betrekking op een snelle fotodiode met grote lichtgevoeligheid.

FIG 1 en FIG 2 tonen een voorbeeld van een dergelijke fotodiode 100, respectievelijk in een opengewerkt aanzicht en in bovenaanzicht bekeken.

De fotodiode 100 omvat een halfgeleiderlaag 101 met een eerste geleidingstype, bijvoorbeeld een licht p-type gedoteerd (v 10%3-10% cm”) silicium substraat.

De halfgeleiderlaag 101 kan in sommige uitvoeringsvormen als een epitaxiale laag bovenop een onderliggend substraat aangebracht zijn (bijvoorbeeld als een p-type silicium epi-laag bovenop een onderliggend p*-type silicium substraat), ofwel als een bronvormende laag binnen een halfgeleidersubstraat voorzien zijn (bijvoorbeeld als een p-type bron binnen een n-type halfgeleidersubstraat). Selectief verzonken in de halfgeleiderlaag 101 is een gebied 102 met een tweede geleidingstype dat van het eerste geleidingstype verschilt, bijvoorbeeld een halfgeleidermateriaal omvattend gebied met een n- type geleiding, zoals n-type gedoteerd silicium.

Meestal wordt een lichte doteringsconcentratie (107-107 cm”) in het verzonken gebied 102 voorzien, welke echter een klein beetje groter is dan de doteringsconcentratie van de halfgeleiderlaag 101. In een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding zijn de halfgeleidermaterialen waaruit het verzonken gebied 102 en de halfgeleiderlaag 101 bestaan gelijk.

Het verzonken gebied 102 kan met behulp van ionen implantatie onder een bovenoppervlak 107 van de fotodiode 100 gevormd worden.

Het ladingstransportgebied 102 is cruciaal voor het snel transporteren van de gegenereerde ladingen naar een verzamelgebied (niet getoond) toe.

Om dit te verwezenlijken wordt in het ladingstransportgebied een elektrisch driftveld gegenereerd dat fotoladingen gericht transporteert, terwijl klassieke langwerpige fotodiodes door het gebrek aan aanwezigheid van een longitudinaal driftveld in sterke mate onder trage, door diffusie bepaalde transporttijden lijden.

Het ladingstransportgebied 102 volgens uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding heeft een constante vooraf bepaalde laterale breedte in een tweede richting y, en, bij voorkeur, een nagenoeg constante doteringsconcentratie in een eerste richting x.

Vervolgens omvat de fotodiode 100 minstens één geïmplanteerd gebied 1034, 103b van het eerste geleidingstype (bijv. p-type of p*-type halfgeleider in een p-type substraat). Bij voorkeur is het minstens één geïmplanteerd gebied 1034, 103b op zo een manier op of in een bovenoppervlak 107 van de ladinggenererende laag 101 gevormd dat het zich erin neerwaarts uitstrekt tot een eerste diepteniveau, waarbij het eerste diepteniveau dieper is dan een tweede diepteniveau geassocieerd met een onderste grenslaag tussen het verzonken ladingstransportgebied 102 en de ladinggenererende laag 101. Dit betekent dat insnoeringen van het depletiepotentiaal gebied vermeden worden, die anders een niet overbrugbare potentiaalbarrière vormen voor degegenereerde ladingen, en derhalve de kwantumopbrengst nadelig beïnvloeden.

In FIG 1 en FIG 2 zijn er twee geïmplanteerde gebieden 1034, 103b voorzien, elk aan een andere zijde van het ladingstransportgebied 102, die zich eveneens longitudinaal in de eerste richting x uitstrekken. In bovenaanzicht, zoals in FIG 2 getoond, is de breedte van een laterale tussenruimte tussen elk geïmplanteerd gebied 1034, 103b en het ladingstransportgebied 102, aangeduid door de afstand tussen de grenslijn 105 van het ladingstransportgebied 102 en de respectievelijke grenslijnen 1064, 106b van de geïmplanteerde gebieden 1034, 103b, monotoon stijgend met toenemende afstand in de eerste richting x, in de richting naar het ladingsverzamelgebied (niet getoond) toe. Dit wordt verder in de twee dwarsdoorsneden in FIG 3 en FIG 4 verduidelijkt, die in FIG 2 aangeduid zijn als II-II! en IV-IV, respectievelijk. FIG 3 en FIG 4 vergelijkend, is het goed zichtbaar dat een tweede laterale breedte w, verderop in lengterichting x (doorsnede Ill-Ill, geïllustreerd in FIG 3), groter is dan een eerste laterale breedte w' bij kortere afstanden in de eerste richting x (doorsnede IV-IV, geïllustreerd in FIG 4). In sommige uitvoeringsvormen van de uitvinding is de breedte van minstens één tussenruimte strikt monotoon stijgend. Dat kan door een stapsgewijs of continu grenslijnprofiel 1064, 106b.

Een stapsgewijs grenslijnprofiel kan enerzijds voordelig zijn voor het vervaardigen van een ionen implantatie fotomasker, anderzijds kunnen smeereffecten door belichting van fotomaskers nuttig zijn voor het benaderen van en continu grenslijnprofiel. In het bijzonder is het mogelijk de breedte van de tussenruimten of het grenslijnprofiel functioneel zo te bepalen dat een depletiepotentiaal in het ladingstransportgebied 102 lineair in de eerste richting x toeneemt waardoor een constant longitudinaal elektrisch driftveld gegenereerd wordt, welk driftveld zich minstens doorheen het ladingstransportgebied 102 uitstrekt.

De fotodiode 100, zoals in FIG 1 en FIG 2 aangeduid, kan verder een vasthoudlaag 104 omvatten. Deze is als dunne (bijvoorbeeld tussen 50 en 500 nm, bijvoorbeeld ongeveer 100 nm), hoog gedoteerde (1077-102° cm”) halfgeleiderlaag voorzien en bestaat bij voorkeur uit hetzelfde halfgeleidermateriaal als de ladinggenererende laag 101. Bijvoorbeeld, vasthoudlaag 104 kan een door dotering van een halfgeleidermateriaal afkomstige laag zijn, bijvoorbeeld afkomstig van een silicium substraat of silicium epitaxiaal aangebrachte laag. Verder kan het bovenoppervlak van de vasthoudlaag 104 met dat van de fotodiode 100 overeenkomen. De vasthoudlaag 104 kan op een voordelige manier het depletiepotientiaalmaximum naar de binnenkant van het ladingstransportgebied 102 verschuiven zodat dit over zijn geheel door een depletiezone gekenmerkt is. Daardoor kunnen fotoladingen gedeeltelijk ook in het ladingstransportgebied zelf gegenereerd worden. Bovendien worden fotoladingen vanuit de ladinggenererende laag 101 efficiënt naar het ladingstransportgebied 102 toe gedreven. Het is een voordeel dat de vasthoudlaag 104 het ladingstransportgebied 102 volledig aan mobieleladingen verarmt zonder een longitudinale of laterale depletiepotentiaalvariatie te genereren die potentiaalbarrieres voor de te transporteren en over te dragen ladingen vormen.

Zulke potentiaalbarrières zouden een nadelig achterblijven van beeldinformatie bij gebruik in beeldsensoren kunnen hebben (image lag). Bovendien zorgt de vasthoudlaag 104 voor een verhoogde onderdrukking van ruis creërende donkerstroom omdat gegenereerde ladingen nagenoeg nooit dichtbij het defecten omvattend bovenoppervlak geraken.

Verder is bij gebruik van de vasthoudlaag 104 geen contact voor het ompolen (reverse biasing) van de fotodiode nodig waardoor een groter deel van het bovenoppervlak lichtgevoelig blijft.

Uitvoeringsvormen zijn niet beperkt tot de voornoemde specifieke halfgeleidertypes, en alternatieve uitvoeringsvormen van de uitvinding kunnen van geleidingstypen met omgekeerde polariteit gebruik maken.

Verder kunnen andere halfgeleider materialen dan silicium voor de fotodiode gebruikt, zoals germanium bijvoorbeeld; de uitvinding is echter niet beperkt daartoe.

Bij invallende straling, zoals lichtsignalen met golflengten in het ultraviolette, zichtbare of infrarode spectrum, worden door het foto-elektrisch effect elektrische fotoladingen voornamelijk in de halfgeleiderlaag 101 gegenereerd en gedeeltelijk ook in de het verzonken gebied 102 of, echter minder, in de dunne vasthoudlaag 104. De verschillende geleidingstypen van het ladingstransportgebied 102 enerzijds (bijv. n-type), en de halfgeleiderlaag 101 en/of de vasthoudlaag 104 anderzijds (bijv. p-type), vormen een het ladingstransportgebied omgevende pn-overgang.

Dit veroorzaakt de vorming van een depletiezone die vrij van mobiele elektrische ladingen en door een ingebouwd elektrisch veld gekenmerkt is.

In het algemeen wordt de doteringsconcentratie van het ladingstransportgebied hoger gekozen dan de doteringsconcentratie van de ladinggenererende laag 101, zodanig dat het ingebouwd elektrisch veld dieper neerwaarts reikt om daar gegenereerde ladingen efficiënt naar het ladingstransportgebied 102 toe te geleiden.

Dit betekent dat de kwantumopbrengst van de fotodiode 100 op deze manier voordelig verhoogd wordt.

De gegenereerde ladingen worden dan door middel van dat zich doorheen het ladingstransportgebied 102 uitstrekkend elektrisch driftveld snel naar een aansluitbaar of aangesloten ladingsverzamelgebied toe getransporteerd.

FIG 5 en FIG 6 tonen twee alternatieve uitvoeringsvormen van fotodiodes volgens de uitvinding.

In de dwarsdoorsnede van een eerste alternatieve uitvoeringsvorm, geïllustreerd in FIG 5, zijn er twee geïmplanteerde gebieden 1034, 103b te zien die aan weerszijden van het ladingstransportgebied 102 aangebracht zijn, en ervan gescheiden door een tussenruimte, waarbij de breedte van de twee tussenruimten longitudinaal in de eerste richting monotoon stijgend is, terwijl de breedte van het ladingstransportgebied 102 in dezelfde richting constant is.

De twee geïmplanteerde gebieden 1034, 103b zijn volgens deze uitvoeringsvorm als hoog gedoteerde gebieden van het eerste geleidingstype gevormd (bijv. p*-type) en zijn verder direct met de vasthoudlaag 104 verbonden. Voorts omvat de fotodiode in FIG 5 ten minste één de fotodiode omgevend gedoteerd putgebied 108a, 108b van het eerste geleidingstype (bijv. p- type) voor een verbeterde isolatie ten opzichte van diffunderende fotoladingen die niet in het ladingstransportgebied of aansluitend ladingsverzamelgebied terechtkomen. Het ten minste één putgebied 1084, 108b is lateraal van elk betreffend geïmplanteerd gebied 1034, 103b door een tweede tussenruimte gescheiden, maar is op gelijkaardige wijze met de vasthoudlaag 104 verbonden. De breedte van de scheidende tweede tussenruimten variëren longitudinaal in de eerste richting, d.w.z. de breedte van de scheidende tweede tussenruimten is afnemend voor toenemende breedten van de tussenruimten tussen het ladingstransportgebied 102 en elk van de geïmplanteerd gebied 1034, 103b. FIG 6 illustreert een tweede alternatieve uitvoeringsvorm, die een variatie is van de uitvoeringsvorm geïllustreerd in FIG 5, waarin het minstens één putgebied 1084, 108b de fotodiode omgeeft maar niet met de vasthoudlaag 104 verbonden is. In dit geval strekt de vasthoudlaag 104 zich minder ver over het bovenoppervlak 107 van de fotodiode uit.

FIG 7 verduidelijkt de functionele relatie die bestaat tussen de laterale breedte van de twee wederzijds symmetrisch aangebrachte tussenruimten en de resulterende lokale vasthoudspanning “Vpinning” in het ladingstransportgebied. Deze relatie is niet lineair en de vasthoudspanning benadert een constante waarde bij grote breedten. In de huidige uitvinding wordt gebruik gemaakt van het feit dat de vasthoudspanning in het ladingstransportgebied beïnvloed wordt door de nabijheid van de er zijdelings naast liggende geïmplanteerde gebieden, en de variatie in breedte van de tussenruimte. Voor een vaste breedte van de fotodiode (m.a.w. van het ladingstransportgebied), volgen de vasthoudspanning en de tussenruimte tussen de naast het ladingstransportgebied, aan weerskanten ervan, geïmplanteerde gebieden, de relatie van FIG 7. De functionele relatie in FIG 7 kan gebruikt worden bij het ontwerp van de fotodiode, bijv. om het elektrische driftveld longitudinaal zo constant mogelijk te houden. Het spatiëren van de geïmplanteerde gebieden van het ladingstransportgebied overeenkomstig FIG 7 in lengterichting van de langwerpige fotodiode zal een uniforme potentiaalgradiënt genereren in derichting van ladingstransfer. Het is een voordeel van de hoog gedoteerde vasthoudlaag dat de vasthoudspanning die in het ladingstransportgebied ontstaat laag is, bijv. Vpinning minder dan 1V. Zulke lage vasthoudpotentialen zijn voordelig voor het overdragen van verzamelde ladingen naar een zwevende diffusie bij kleine spanningsverschillen ten opzichte van hetoverdrachtsignaal. Laag energetische fotodiodes en beeldsensoren kunnen bijgevolg verwezenlijkt worden.

Meetresultaten voor een fotodiode met en zonder zijdelings geïmplanteerde gebieden met variërende tussenruimte zijn getoond in FIG 10. De positie van een licht puls (breedte = 0.6 us) verplaatst zich dichter naar de neergaande flank van de overdrachtspoort voor elke meting. Het tijdsverschil tussen het moment van de lichtpuls en de dalende flank van de transfer gate TG is getoond op de X-as, waarbij negatieve tijden aanduiden dat de lichtpuls voor de neergaande flank van de overdrachtspoort valt, en positieve tijden aanduiden dat de lichtpuls erna valt. Op de Y-as is de hoeveelheid getransfereerde fotolading te zien, voor een lichtpuls met lengte van 600 ns, genormaliseerd op maximum = 1. Het is duidelijk uit de grafiek dat de geïmplanteerde gebieden met variërende tussenruimte (1002) een gradiënt genereren die de ladingdragers, bijvoorbeeld elektronen, sneller doen diffunderen, wat resulteert in minder vertraging vergeleken met een de grafiek 1006 voor een fotodiode zonder geïmplanteerde gebieden. Een tweede aspect van de huidige uitvinding is gericht naar een lichtgevoelig element. In FIG 8 is een voorbeeld van een lichtgevoelig element 200 getoond, omvattende een fotodiode 201 volgens een uitvoeringsvorm van het eerste aspect, een ladingsverzamelgebied 202, een zwevende diffusie 203 en een overdrachtspoort 204. Het ladingstransportgebied 102 van de fotodiode 201 is met het ladingsverzamelgebied 202 verbonden. In de in FIG 8 aangeduide uitvoeringsvorm van de uitvinding, zijn het ladingsverzamelgebied 202 en het ladingstransportgebied 102 als een geheel, verzonken halfgeleidergebied gevormd waarvan het ladingsverzamelgebied 202 een verbreed gedeelte vormt dat longitudinaal aan het uiteinde van het ladingstransportgebied 102 aansluit. De breedte van de laterale tussenruimte tussen elk van de twee geïmplanteerde gebieden 1034, 103b en het ladingsverzamelgebied 202 neemt longitudinaal in de eerste richting sterk toe. Zoals bij de bespreking van FIG 7 al opgemerkt, heeft een sterk lateraal verbrede afstand een nagenoeg constante depletiepotentiaal als gevolg, zodanig dat getransporteerde ladingen doeltreffend in het ladingsverzamelgebied 202 met grote capaciteit verblijven. Een overdrachtspoort 204, bijv. een poort van een veld-effect-transistor, strekt zich in de tweede richting lateraal uit zodanig dat een uiteinde van het ladingsverzamelgebied 202, in bovenaanzicht bekeken, gedeeltelijk of volledig afgedekt wordt. Daarenboven wordt ook een gedeelte van de zwevende diffusie 203 lateraal afgedekt. De zwevende diffusie 203 is van een halgeleider materiaal van het tweede geleidingstype gemaakt, bijv. n*-type silicium, en een doteringsconcentratie ervan is groter (1077-1029 cm”) dan die van het ladingsverzamelgebied 202. Bij aansturing van de overdrachtspoort 204 door een overdrachtsignaal (bijv. positief spanningsignaal ten opzichte van het substraat indien hetsubstraat van het p-type is), ontstaat een verzonken geleidend kanaal (elektrische potentiaalgradiënt) onder de overdrachtpoort 204 dat het ladingsverzamelgebied 202 met de zwevende diffusie 203 elektrisch koppelt. De door het ladingsverzamelgebied 202 gecollecteerde ladingen worden aldus naar de zwevende diffusie 203 overgedragen om daar vervolgens te worden uitgelezen. De ladingsoverdracht leidt in de zwevende diffusie 203 tot een vermindering van de potentiaal evenredig met het aantal overgedragen ladingen. Een laterale afmeting p van het lichtgevoelige element 200 in de tweede richting kan op tien micrometer of kleiner bepaald zijn, bijv. zeven micrometer. Een longitudinale afmeting L van het lichtgevoelige element 200 in de eerste richting kan op honderd micrometer of kleiner bepaald zijn, bijv. tussen tien en honderd micrometer. In sommige uitvoeringsvormen van de uitvinding kan een longitudinale afmeting van het ladingsverzamelgebied 202 in de eerste richting ten hoogste drie keer groter zijn dan een longitudinale afmeting van het ladingstransportgebied 102 in dezelfde richting, bijv. ten hoogste twee keer groter of even groot dan een longitudinale afmeting van het ladingstransportgebied 102 in dezelfde richting.

Een derde aspect van de huidige uitvinding heeft betrekking op een beeldsensor omvattende meerdere lichtgevoelige elementen volgens een uitvoeringsvorm van het tweede aspect, logisch gerangschikt in rijen en kolommen van een rooster, waarbij de meerdere lichtgevoelige elementen in of op hetzelfde halfgeleider substraat gevormd zijn. Een dergelijke beeldsensor kan als CMOS of CCD beeldsensor geconfigureerd zijn. FIG 9 toont op een schematische manier een beeldsensor 300 volgens uitvoeringsvormen van de uitvinding. De beeldsensor 300 omvat meerdere lichtgevoelige elementen 302 (pixels), gerangschikt in rijen en kolommen van een rooster. In sommige uitvoeringsvormen kan de beeldsensor als 1D lineaire beeldsensor geïmplementeerd zijn, en bevat hij dus alleen maar in één rij gerangschikte lichtgevoelige elementen 302. De lichtgevoelige elementen 302 kunnen helemaal in hetzelfde halfgeleidersubstraat 301 gevormd zijn, bijv. in een silicium substraat/wafer. Bovendien kunnen één of meerdere lichtgevoelige elementen 302 aan hun randgebied door een hoog gedoteerd putgebied 303 omgeven zijn, welk putgebied een halfgeleider van eerste geleidingstype (bijv. p* gedoteerd halfgeleider) is. Deze putgebieden 303 zijn gekenmerkt door een isolerende functie ten opzichte van niet verzamelde en door het ladingstransportgebied 102 naar het verzamelgebied toe gerichte fotoladingen. Zulke fotoladingen zouden zich naar andere naburige lichtgevoelige elementen 302 verspreiden en daar ruisversterkende overspraak veroorzaken, als ze niet door een potentiaalbarrière in het diffunderen werden belemmerd. De putgebieden 303 kunnen op een voordelige manier met een halfgeleider onderlaag van het eerste type in eenepitaxiale stapel (bijv. p* epi-substraat) gecombineerd worden waardoor het isolatievermogen nog verhoogd wordt.

Om elk lichtgevoelig element 302 van de beeldsensor 300 te kunnen aansturen en adresseren, is dit verder voorzien van een aantal transistoren.

In dit geval zijn er vier transistoren TG, RST, SF en SEL per lichtgevoelig element 302. De eerste transistor TG is, zoals al in verband met het lichtgevoelige element 200 vermeld, geïmplementeerd als overdrachtpoort voor het overdragen van verzamelde ladingen vanuit het verzamelgebied naar de zwevende diffusie 304 bij het aanleggen van een overdrachtsignaal.

De tweede transistor RST is verbonden met een energiebron en is geschikt voor het opnieuw instellen van een beginpotentiaal voor de zwevende diffusie 304, voordat instromende ladingen worden verzameld.

Een poort van de derde transistor SF (bronvolger) is verbonden met de zwevende diffusie 304, een eerste contact daarvan is verbonden met een energiebron en een tweede contact met een contact van de vierde transistor SEL.

De derde transistor SF dient voor het uitlezen van de eindpotentiaal na overdracht van de verzamelde ladingen, waarbij de ingangsweerstand groot is en het uitgaande stroomsignaal versterkt is.

Als een selectiesignaal aangebracht wordt aan de poort van de vierde transistor SEL, dan wordt het bijhorende lichtgevoelige element 302 geadresseerd en wordt de met behulp van de derde transistor uitgelezen potentiaalwaarde naar een (kolom)signaalbus doorgestuurd.

De voorgaande beschrijving geeft details van bepaalde uitvoeringsvormen van de uitvinding.

Het zal echter duidelijk zijn dat, hoe gedetailleerd het voorgaande ook blijkt in tekst, de uitvinding op vele manieren kan toegepast worden.

Het moet opgemerkt worden dat het gebruik van bepaalde terminologie bij het beschrijven van bepaalde kenmerken of aspecten van de uitvinding niet moet worden opgevat te impliceren dat de terminologie hierin opnieuw wordt gedefinieerd om te worden beperkt tot specifieke kenmerken van de kenmerken of aspecten van de uitvinding waarmee deze terminologie gekoppeld is.

Claims (15)

Conclusies

1. Een fotodiode (100), omvattende - een ladinggenererende laag (101) voor het omzetten van invallende straling in ladingsdragers, waarbij de ladinggenererende laag halfgeleidermateriaal van een eerste type omvat, met een eerste doteringsconcentratie, - een ladingstransportgebied (102) dat halfgeleidermateriaal van een tweede type omvat, selectief verzonken in de ladinggenererende laag (101), en zich longitudinaal in een eerste richting (x) uitstrekkend, met het kenmerk dat het ladingstransportgebied (102) een voorafbepaalde constante breedte heeft langs een tweede richting (y) loodrecht op de eerste richting (x), en dat de ladinggenererende laag (101) daarenboven minstens één geïmplanteerd gebied (103a-b) met halfgeleidermateriaal van het eerste type omvat met een tweede doteringsconcentratie groter dan de eerste doteringsconcentratie, waarbij elk geïmplanteerd gebied (103a-b) zich longitudinaal uitstrekt in de eerste richting (x) en door een tussenruimte van het ladingstransportgebied (102) gescheiden is, en waarbij een in de tweede richting (y) gemeten breedte (w, w') van minstens één tussenruimte in de eerste richting (x) monotoon toeneemt, zodat een variërende elektrische depletiepotentiaal een longitudinaal, zich ten minste doorheen het ladingstransportgebied (102) uitstrekkend, elektrisch driftveld veroorzaakt.

2. Een fotodiode volgens conclusie 1, waarbij de ladinggenererende laag (101) ten minste twee geïmplanteerde gebieden (103a, 103b) omvat die aan weerszijden van het ladingstransportgebied (102) zijn aangebracht.

3. Een fotodiode volgens één van de voorgaande conclusies, waarin het minstens één geïmplanteerd gebied (103a-b) gevormd is op of in een bovenoppervlak (107) van de ladinggenererende laag (101) en zich erin neerwaarts uitstrekt tot een eerste diepteniveau, waarbij het eerste diepteniveau dieper is dan een tweede diepteniveau geassocieerd met een onderste grenslaag tussen het verzonken ladingstransportgebied (102) en de ladinggenererende laag (101).

4. Een fotodiode volgens één van de voorgaande conclusies, waarin de ten minste één tussenruimte tussen het geïmplanteerd gebied (103a-b) en het ladingstransportgebied (102) lateraal breder wordt in functie van afstand in de eerste richting (x),

overeenkomstig een functionele relatie die een elektrische depletiepotentiaal toekent aan een breedte (w, w') van de tussenruimte zodat de variërende elektrische depletiepotentiaal lineair toeneemt in de eerste richting (x).

5. Een fotodiode volgens één van de voorgaande conclusies, waarin de ten minste één tussenruimte stapsgewijs verbreedt zodanig dat een aantal stappen in de eerste richting (x) een lineair groeiende elektrische depletiepotentiaal benadert.

6. Een fotodiode volgens één van de voorgaande conclusies, waarin de ladinggenererende laag (101) verder een vasthoudlaag (104) van het eerste geleidingstype omvat met een derde doteringsconcentratie groter dan de eerste doteringsconcentratie, waarbij de vasthoudlaag in contact is met en gevormd is onder een deel van het bovenoppervlak (107) van de ladinggenererendde laag, welk deel geselecteerd is om ten minste het verzonken ladingstransportgebied (102) te bedekken.

7. Een fotodiode volgens conclusie 6, waarin de vasthoudlaag (104) met het ten minste één geïmplanteerd gebied (103a-b) connecteert en waarin de tweede en derde doteringsconcentraties nagenoeg gelijk zijn.

8. Een fotodiode volgens één van de voorgaande conclusies, waarin het halfgeleidermateriaal van het ladingstransportgebied (102) en van de ladinggenererende laag (101) hetzelfde is.

9. Een fotodiode volgens één van de voorgaande conclusies, waarin het ladingstransportgebied (102) uit n-type halfgeleidermateriaal is gevormd.

10. Een fotodiode volgens één van de voorgaande conclusies, waarin de doteringsconcentratie van het ladingstransportgebied (102) nagenoeg constant is.

11. Een lichtgevoelig element (200) omvattende - de fotodiode (201) volgens één van de voorgaande conclusies, - een ladingsverzamelgebied (202) verbonden met het ladingstransportgebied (102) van de fotodiode (201) voor het collecteren van getransporteerde ladingen, - een zwevende diffusie (203), en - een overdrachtspoort (204) voor het overbrengen van gecollecteerde ladingen naar de zwevende diffusie, aangestuurd door een overdrachtssignaal.

12. Een lichtgevoelig element volgens conclusie 11, waarbij het ladingsverzamelgebied (202) is gevormd als een verbreed verlengde van het ladingstransportgebied (102) van de fotodiode (201).

13. Een lichtgevoelig element volgens conclusie 11 of 12, waarbij een longitudinale afmeting van het ladingsverzamelgebied (202) in de eerste richting (x) ten hoogste drie keergroter is dan een longitudinale afmeting van het ladingstransportgebied (102) in dezelfde richting.

14. Een beeldsensor (300) omvattende meerdere lichtgevoelige elementen (302) volgens één van de conclusies 11 tot 13, logisch gerangschikt in rijen en kolommen van een rooster, waarbij de meerdere lichtgevoelige elementen in of op hetzelfde halfgeleider substraat (301) gevormd zijn.

15. Een beeldsensor volgens conclusie 14, verder een aantal hoog gedoteerde putgebieden (303) van het eerste geleidingstype omvattend, die de lichtgevoelige elementen (302) omgeven.