DE10037103A1

DE10037103A1 - Multispektrale Photodiode

Info

Publication number: DE10037103A1
Application number: DE10037103A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bauer; Karl-Martin Mahlein; Richard Wollrab; Johann Ziegler
Original assignee: AEG Infrarot Module GmbH
Current assignee: AIM Infrarot Module GmbH
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2002-02-14
Also published as: GB2370415B; US20020011640A1; JP2002083995A; US6525387B2; FR2812454A1; FR2812454B1; GB0117764D0; GB2370415A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine multispaktrale Photodiode für infrarote Strahlung, bestehend aus einem Substrat, einer auf dem Substrat angeordneten ersten Halbleiterschicht erster Leitfähigkeit mit großem Bandabstand, einer auf der ersten Halbleiterschicht angeordneten zweiten Halbleiterschicht erster Leitfähigkeit mit kleinem Bandabstand, einem ersten Diodenbereich, der von einer Zone zweiter Leitfähigkeit mit der ersten Halbleiterschicht gebildet ist und einem zweiten Diodenbereich, der von einer Zone zweiter Leitfähigkeit mit der zweiten Halbleiterschicht gebildet ist. Bei bekannten multispektralen Photodioden ist von Nachteil, dass der für den kurzwelligen Anteil empfindliche erste Diodenbereich kleiner ist als der für den langwelligen Anteil empfindliche zweite Diodenbereich. DOLLAR A Die Aufgabe, eine multispaktrale Photodiode anzugeben, bei der die Flächenverhältnisse des ersten und des zweiten Diodenbereichs den Verhältnissen der Photonenflüsse der zugeordneten Wellenlängenbereiche für die zu betrachtenden Temperaturen angepasst sind, wird dadurch gelöst, dass der erste Diodenbereich konzentrisch um den zweiten Diodenbereich herum angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine multispektrale Photodiode für infrarote Strahlung ge mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der US 6,034,407 ist eine multispektrale, planare Photodiode für infrarote Strahlung bekannt, die zur Anordnung in einem Array geeignet ist. Diese be kannte Photodiode besteht aus einer Anordnung von folgenden Halbleiterschich ten eines ersten Leitfähigkeitstyps: einem Substrat, einer darauf angeordneten Puf fer-Schicht, einer darauf angeordneten ersten aktiven Schicht, die für einen ersten Wellenlängenbereich empfindlich ist, einer darauf angeordneten Trennungs schicht, einer darauf angeordneten zweiten aktiven Schicht, die für einen zweiten Wellenlängenbereich empfindlich ist, und einer darauf angeordneten Deckschicht. Eine erste Zone zweiter Leitfähigkeit ist in die erste aktive Schicht eingebettet und bildet mit dieser einen ersten Diodenbereich. Eine zweite Zone zweiter Leitfähig keit ist in die zweite aktive Schicht eingebettet und bildet mit dieser einen zweiten Diodenbereich. Die Zonen zweiter Leitfähigkeit sind von der Deckschicht eben falls abgedeckt und werden durch Öffnungen von einen strukturierten Metallisie rungsschicht kontaktiert. Auf der Metallisierungsschicht sind auf entsprechend er höhten Punkten der Photodiode sogenannte Indiumbumps angeordnet, mit denen der erste und der zweite Diodenbereich mit einer externen Ausleseschaltung ver bunden werden können. Bei dieser bekannten Anordnung ist der zweite Dioden bereich um den im Zentrum liegenden ersten Diodenbereich herum angeordnet. Dabei liegt der erste Diodenbereich in einer Vertiefung, die von der Oberfläche bis durch die Trennungsschicht hindurch in die erste aktive Schicht hinein reicht. Die Bestrahlung der Photodiode erfolgt von der Substratseite her. Die erste aktive Schicht weist einen großen Bandabstand auf, absorbiert Strahlung mit einer klei neren Wellenlänge und ist für Strahlung einer größeren Wellenlange transparent.

Die zweite aktive Schicht weist einen kleinen Bandabstand auf, absorbiert Strah lung mit der größeren Wellenlänge, die beim Durchgang durch die erste aktive Schicht nicht absorbiert wurde.

Im Bereich infraroter Strahlung bei Wellenlängen von 3-5 µm (MWIR) und 8-10 µm (LWIR) nimmt der Photonenfluss (bei Zieltemperaturen um 300 K) zu kleine ren Wellenlängen hin schnell ab. Die bekannte multispektrale, planare Photodiode weist jedoch den Nachteil auf, dass, bedingt durch die Flächenverhältnisse des ersten und des zweiten Diodenbereichs, der für den kurzwelligen Anteil empfind liche erste Diodenbereich kleiner ist als der für den langwelligen Anteil empfind liche zweite Diodenbereich. Gleichzeitig stehen aber im langwelligen Bereich mehr Photonen zur Verfügung als im kurzwelligen Bereich. D. h. der flächenmä ßig kleinere Diodenbereich muss mit einem kleinere Photonenfluss auskommen. Diesem Umstand muss bei der automatisierten Bildverarbeitung mit einem er höhten Rechenaufwand Rechnung getragen werden, was insbesondere bei zeitkri tischen Anwendungen unerwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine multispektrale Photodiode anzugeben, bei der die Flächenverhältnisse des ersten und des zweiten Diodenbereichs den Verhältnissen der Photonenflüsse der zugeordneten Wellenlängenbereiche für die zu betrachtenden Temperaturen angepasst sind.

Diese Aufgabe wird durch eine multispektrale Photodiode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Kurze Beschreibung der Figuren:

Fig. 1 zeigt eine Anordnung der multispektralen Photodioden in einem zweidimensionalen Array in Ansicht von Oben,

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die multispektrale Photodiode nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie 2-2.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhil fenahme der Figuren erläutert.

Die multispektrale, planare Photodiode 1 für infrarote Strahlung ist, wie in Fig. 1 gezeigt, durch die besondere Ausgestaltung bestens geeignet um in einem Array 10 angeordnet zu werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist eine ein zelne multispektrale Photodiode 1 eine im wesentlichen rechteckige bzw. quadra tische Grundfläche auf. Durch die Lotkugeln 9.1 und 9.2, die sich an einer Ecke bzw. in der Diodenmitte befinden, wird die Diode an einem externen Auslese schaltkreis angeschlossen.

Zunächst soll jedoch der Aufbau der Photodiode anhand der Fig. 2 erläutert wer den.

Die multispektrale, planare Photodiode 1 wird von der Substratseite 2 her be strahlt. Das Substrat 2 ist daher für den zu betrachtenden Wellenlängenbereich der Strahlung im wesentlichen transparent. Als Substratmaterial hat sich für Infrarot Detektoren im MWIR 3-5 µm und LWIR 8-10 µm Spektralbereich Cadmium-Zinn- Tellurid (CdZnTe) bewährt.

Auf dem Substrat 2 ist eine erste Halbleiterschicht 3 angeordnet. Der Bandabstand Egap1 der ersten Halbleiterschicht 3 ist so gewählt, dass Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs absorbiert wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste Halbleiterschicht 3 p-leitend. Zusammen mit einer ersten Zone zweiter Leitfähigkeit 5.1, die in die Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 3 eingebracht ist, bildet die erste Halbleiterschicht 3 einen ersten Diodenbereich 5 zur Detektion von Strahlung im ersten Wellenlängenbereich. Die erste Zone zweiter Leitfähig keit 5.1 bedeckt die erste Halbleiterschicht 3 jedoch nicht vollständig. Sie ist im wesentlichen konzentrisch um ein zentrales Gebiet herum angeordnet.

Auf der nicht von der ersten Zone zweiter Leitfähigkeit 5.1 bedeckten zentralen Oberfläche des ersten Halbleiterschicht 3 und an den Eckpunkten der Grundfläche ist eine zweite Halbleiterschicht 4 des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet. Der Bandabstand Egap2 der zweiten Halbleiterschicht 4 ist so gewählt, dass Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs absorbiert wird. Die Bandabstände der bei den Halbleiterschichten 3, 4 sind im übrigen so gewählt, dass die erste Halbleiter schicht 3 keine bzw. nur hinreichend wenig Strahlung aus dem zweiten Wellen längenbereich absorbiert, der durch die zweite Halbleiterschicht 4 detektiert wer den soll. Üblicherweise bedeutet das, dass der Bandabstand der ersten Halbleiter schicht Egap1 größer ist als der Bandabstand der zweiten Halbleiterschicht Egap2.

In die zentrale Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 4 ist eine zweite Zone zweiter Leitfähigkeit 6.1 eingelassen. Diese bildet zusammen mit der zweiten Halbleiterschicht 4 einen zweiten Diodenbereich 6 zur Detektion von Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich.

Das Zentrum einer Einheitszelle des Arrays besteht aus einer zentralen Erhebung, die vom zweiten Diodebereich 6 gebildet ist. Um den zweiten Diodenbereich her um ist der erste Diodenbereich 5 konzentrisch angeordnet. Er befindet sich im we sentlichen auf dem Niveau der ersten Halbleiterschicht 3. Durch geeignete Di mensionierung können die Flächen der beiden Diodenbereiche 5, 6 so aufeinander abgestimmt werden, dass die eingangs erwähnten Verhältnisse der Empfindlich keiten in den beiden Wellenlängenbereichen erzielt werden.

Zum Auslesen der beiden Diodenbereiche ist ein in den Figuren nicht dargestell ter, separater Ausleseschaltkreis vorgesehen, der über Lotkugeln 9.1, 9.2, soge nannte Indiumbumps, mit der multispektralen Photodiode 1 verbunden wird. Für jeden Diodenbereich 5, 6 jeder Zelle ist ein eigener Indiumbump 9.1, 9.2 vorgese hen, mit der die Verbindung vom jeweiligen Diodebereich zur Auswerteelektronik hergestellt wird. Um eine derartige Verbindung zu gewährleisten ist es erforder lich, dass alle Indiumbumps 9.1, 9.2 im wesentlichen in einer Ebene auf der mul tispektralen Photodiode angeordnet sind. Um dies zu erzielen sind neben den zent ralen Erhebungen der zweiten Diodenbereiche 6 in jeder Zelle zweite Erhebungen vorgesehen über die die Kontaktierung der ersten Diodenbereiche 5 erfolgt.

Der Kontakt für den ersten Diodenbereich 5 ist Vorteilhafterweise an einer der E cken der Zellen angeordnet, so dass in der Anordnung im Array, wie in der Fig. 1 gezeigt, an jeder der vier Ecken einer Zelle jeweils ein Kontakt für einen ersten Diodenbereich 5 angeordnet ist. Dabei gehören drei davon zu benachbarten Zel len. Im Zentrum der Zelle befindet sich der Kontakt für den zweiten Diodenbe reich 6. Da alle Erhebungen im gleichen Verfahrenschritt hergestellt werden und im wesentlichen aus der zweiten Halbleiterschicht 4 bestehen, weisen sie die glei che Höhe auf und können problemlos mittels der Indiumbumps 9.1, 9.2 mit dem Ausleseschaltkreis verbunden werden.

Die Oberfläche der multispektralen Photodiode 1 ist vollständig durch eine Passi vierungsschicht 7 abgedeckt. Die Passivierung 7 weist Öffnungen, sogenannte Vi as auf, durch die hindurch die auf der Passivierungsschicht 7 angeordnete Metallisierung 8.1, 8.2 die Zonen zweiter Leitfähigkeit - im Ausführungsbeispiel n- Leitungstyp - kontaktiert. Die Metallisierung 8.1, 8.2 ist derart strukturiert, dass möglichst große Bereiche der Photodioden mit der Metallisierung abdeckt sind. Dadurch wird erreicht, dass Strahlung, die von den Halbleiterschichten 3, 4 nicht absorbiert wird von der Metallisierung 8.1, 8.2 in die Halbleiterschichten zurück reflektiert wird und somit die Quantenausbeute erhöht wird. Die Photodiode 1 weist im wesentlichen zwei Bereiche der Metallisierung 8.1, 8.2 auf. Der erste Be reich 8.1 befindet sich getrennt durch die Passivierungsschicht 7 auf dem ersten Diodenbereich S und führt auf die dem ersten Diodenbereich 5 zugeordnete Erhe bung. Auf der Erhebung ist eine Lotkugel 9.1 angeordnet. Der zweite Bereich der Metallisierung 8.2 befindet sich über dem zweiten Diodenbereich 6. Darauf ist ei ne weitere Lotkugel 9.2 angeordnet.

Damit eine Photodiode - insbesondere eine einem Pixel in einem Array angeord neten Photodiode - zeitgleich in beiden Farben die gleiche Szene ansehen, ist es erforderlich, dass sich die Zonen, in denen die beiden Diodenbereiche 5, 6 Photo nen sammeln im Rahmen der Auflösung der Optik überlappen müssen. Das wird bei der Photodiode nach der Erfindung dadurch erreicht, dass der erste Diodenbe reich 5 den zweiten Diodenbereich 6 konzentrisch umgibt.

Von besonderem Vorteil ist es, dass die Fläche des ersten Diodenbereichs 5, der auf den kurzwelligen Anteil der Strahlung anspricht, größer ist als die Fläche des zweiten Diodenbereichs 6, der auf den langwelligen Anteil der Strahlung an spricht. Diese Flächenverhältnisse sind den tatsächlich vorliegenden Photonen flüssen bei Zieltemperaturen von ca. 300 K angepasst. Es steht für den kurzwelli gen Bereich der Strahlung, bei dem der Photonenfluss klein ist, eine größere Flä che des Diodenbereichs, also eine größere Detektorfläche und damit auch eine verbesserte Empfindlichkeit zur Verfügung.

Claims

1. Multispektrale Photodiode (1) für infrarote Strahlung bestehend aus:
einem Substrat (2)
einer auf dem Substrat (2) angeordneten ersten Halbleiterschicht (3) erster Leitfähigkeit mit großem Bandabstand
einer auf der ersten Halbleiterschicht (3) angeordneten zweiten Halbleiter schicht (4) erster Leitfähigkeit mit kleinem Bandabstand
einem ersten Diodenbereich (5), der von einer ersten Zone zweiter Leitfä higkeit (5.1) mit der ersten Halbleiterschicht (3) gebildet ist
einem zweiten Diodenbereich (6), der von einer zweiten Zone zweiter Leit fähigkeit (6.1) mit der zweiten Halbleiterschicht (4) gebildet ist
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Diodenbereich (5) konzentrisch um den zweiten Diodenbereich (6) herum angeordnet ist.

2. Multispektrale Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der ersten Diodenbereichs (5) größer ist als die Fläche des zweiten Di odenbereichs(6).

3. Multispektrale Photodiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass zur Kontaktierung des ersten und des zweiten Diodenbereichs (5, 6) Lot kugeln (9.1, 9.2) vorgesehen sind.

4. Multispektrale Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Lotkugeln (9.1, 9.2) so auf Erhebungen angeordnet sind, dass sie in einer Ebene liegen.

5. Multispektrale Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn zeichnet durch die Anordnung einer Vielzahl von Photodioden (1) zu einem zwei dimensionalen Array (10).