DE102005025937B4

DE102005025937B4 - Lichtempfindliches Bauelement mit erhöhter Blauempfindlichkeit, Verfahren zur Herstellung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102005025937B4
Application number: DE102005025937A
Authority: DE
Inventors: Ewald Wachmann; Georg RÖHRER; Jochen Dr. Kraft; Gerald Dr. Meinhardt; Hubert Dr. Enichlmair; Bernhard LÖFFLER
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: US20080277749A1; KR100977199B1; JP4829255B2; WO2006087096A1; US8227882B2; GB0711455D0; GB2436756A; JP2008530808A; KR20070104422A; DE102005025937A1

Abstract

Lichtempfindliches Bauelement mit einem Bauelementkörper, umfassend
– ein niedrig dotiertes Halbleitersubstrat (SU),
– eine auf dem Halbleitersubstrat aufliegende isolierende Schicht (IS),
– ein Lichteinfallsfenster (LF) in der isolierenden Schicht,
– eine mit Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp dotierte Substratwanne im Halbleitersubstrat im Bereich des Lichteinfallsfensters,
– eine zumindest im Lichteinfallsfenster auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnete epitaktische Schicht (ES), die zumindest in einem oberen Schichtbereich mit einem Dotierstoff vom ersten Leitfähigkeitstyp hoch dotiert ist, und
– einen Halbleiterübergang (UE) zwischen der epitaktischen Schicht und der Wannendotierung,
– wobei die Schichtdicke der hoch dotierten epitaktischen Schicht weniger als 80 nm beträgt.

Description

Zur Detektion von Licht können Halbleiterbauelemente eingesetzt werden, beispielsweise Fotodioden oder Fototransistoren. Diesen Bauelementen ist gemeinsam, dass sie einen pn-Übergang aufweisen, um den sich eine Raumladungszone ausbildet, die durch eine entsprechend angelegte äußere Spannung vergrößert werden kann. Vom Halbleiterkörper absorbiertes Licht erzeugt dort Ladungsträgerpaare, die im elektrischen Feld der Raumladungszone getrennt und entsprechenden äußeren Kontakten zugeleitet werden. Außerhalb der Raumladungszone erzeugte Ladungsträgerpaare erreichen den Bereich des elektrischen Feld erst nach Diffusion und damit deutlich langsamer.
Als Halbleitermaterial für lichtempfindliche Halbleiterbauelemente kann z. B. Silizium eingesetzt werden, insbesondere wenn die Bauelement mit integrierten Schaltkreisen integriert werden. Das Absorptionsspektrum von Silizium weist allerdings hin zu kurzwelligerem Licht eine zunehmende Absorption auf. Dies hat zur Folge, dass einfallendes Licht im Bereich bis zirka 460 nm Wellenlänge nur eine geringe Eindringtiefe in das Silizium aufweist. Dies führt dazu, dass dieses Licht im Halbleiter in einer Tiefe von zirka 80 nm bereits nahezu vollständig absorbiert ist. Zur Detektion derart kurzwelligen Lichts steht der Halbleiter daher nur bis zu dieser Eindringtiefe zur Verfügung.
Nachteilig an dieser Tatsache ist, dass bekannte lichtempfindliche Halbleiterbauelemente üblicherweise einen vertikal ausgerichteten Halbleiterübergang aufweisen und als oberste Schicht eine hochdotierte Schicht besitzen, um den Halbleiterübergang zu realisieren. In dieser hochdotierten oberflächennahen Schicht kann eine Ladungsträgertrennung jedoch nur mit verminderter Ausbeute erfolgen, da durch die hohe Ladungsträgerkonzentration die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger klein ist und zum anderen das elektrische Feld der Raumladungszone sich nicht über die gesamte hochdotierte Schicht erstrecken kann, sodass dort erzeugte Minoritätsladungsträger nur mittels Diffusion zum entsprechenden stromableitenden Kontakt gelangen können. Dieser Prozess ist jedoch langsam, erhöht die Abklingzeit des Fotostroms und erhöht zusätzlich die Wahrscheinlichkeit, dass Ladungsträgerpaare rekombinieren und somit nicht mehr zum Signalstrom des Bauelements beitragen können.
Um die Blauempfindlichkeit von aus Silizium bestehenden lichtempfindlichen Halbleiterbauelementen zu erhöhen, wurden bereits unterschiedliche Ansätze verfolgt. In der US 4,107,722 A wird vorgeschlagen, in einem Halbleiterkörper in einer Zone vom ersten Leitfähigkeitstyps eine hochdotierte oberflächennahe dünne Schicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp aber mit einem anderen Dotierstoff zu erzeugen. Neben dem eigentlichen Halbleiterübergang zu einem Gebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp wird auf diese Weise ein zweiter Halbleiterübergang erzeugt, der ein schwaches internes elektrisches Feld erzeugt, welches die Ladungsträger zusätzlich beschleunigen kann. Dieses Feld ist jedoch wesentlich geringer als das in der Raumladungszone ausgebildete oder äußerlich an die Raumladungszone angelegte Feld. Die Geschwindigkeit der Ladungstrennung ist daher um eine Größenordnung geringer als innerhalb der Raumladungszone. Dies hat zur Folge, dass das Bauelement nur träge auf den Lichteinfall reagiert bzw. eine lange Abklingphase benötigt, bis die letzten Ladungsträgerpaare an den Kontakten abgeleitet werden können.
Aus der US 4,968,634 A ist es bekannt, zunächst eine flache Dotierung in der Oberfläche eines Halbleiterkörpers zu erzeugen und diesen anschließend bis zum Ort der höchsten Ladungsträgerkonzentration zurückzuätzen. Dadurch wird die Schichtdicke der hochdotierten Schicht reduziert und der Anteil der in dieser Schicht erzeugten Ladungsträgerpaare reduziert.
Den meisten Ansätzen zur Erhöhung der Blauempfindlichkeit von Halbleiterbauelementen ist gemein, dass sie entweder eine verminderte Lichtempfindlichkeit aufweisen und/oder eine lange Abklingzeit benötigen, die das Bauelement langsam machen. Solche Bauelemente sind zum empfindlichen Nachweis von Lichtimpulsen mit hohen Pulsraten nicht geeignet.
In der EP 0 296 371 B1 sind ein Photodetektor für Ultraviolettstrahlung und ein Verfahren zur Herstellung angegeben. Mit dem Photodetektor soll die Empfindlichkeit und die Selektivität für ultraviolettes Licht gesteigert werden. Das Bauelement weist ein Substrat mit Lichteintrittsfenster und Deckschicht auf, wobei unter dem Eintrittsfenster wannenförmig ausgebildete Schichten vorhanden sind, die eine n⁺-Schicht und eine darin eingebettete p⁺ ⁺-Schicht umfassen. Zwischen diesen Schichten ist ein pn-Übergang vorhanden, um den herum eine Raumladungszone ausgebildet wird. Die p⁺⁺-Schicht wird durch eine Implantation von Borionen vorbestimmter Energie erzeugt. Die Dicke der p⁺ ⁺-Schicht und des zugehörigen Kontaktes beträgt etwa 15 nm bis 30 nm.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein lichtempfindliches Bauelement anzugeben, mit dem auch blaues sichtbares Licht empfindlich und schnell nachgewiesen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Grundlegende Idee der Erfindung ist es, eine einem Bipolartransistor mit einer dünnen epitaktischen Basis ähnliche Struktur aufzubauen und die Raumladungszone am Halbleiterübergang zwischen Basis und Kollektor zur Absorption von Lichtquanten zu nutzen. Auf der Lichteinfallseite kann dabei ganz auf den Emitter verzichtet werden oder es können relativ zur Basis kleine Emitterstrukturen vorgesehen werden.
Ein lichtempfindliches Bauelement weist einen Bauelementkörper auf, der ein niedrig dotiertes Halbleitersubstrat, eine darin vorgesehene mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp dotierte Substratwanne, eine darauf aufliegende isolierende Schicht mit einem Lichteinfallsfenster, eine zumindest im Lichteinfallsfenster auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnete und mit einem Dotierstoff vom ersten Leitfähigkeitstyp höher dotierte epitaktische Schicht umfasst.
Zwischen der epitaktischen Schicht und der Substratwanne ist ein Halbleiterübergang ausgebildet. Die epitaktische Schicht weist eine Dicke von weniger als 80 m, vorzugsweise weniger als 50 nm auf.
Das vorgeschlagene lichtempfindliche Bauelement hat den Vorteil, dass die Dotierung einer epitaktisch aufgewachsenen Schicht während des Aufwachsens sicher und genau eingestellt werden kann, so dass hohe Dotierstoffkonzentrationen möglich sind. Auch kann die Dotierung einer epitaktischen Schicht anders als die eines durch Implantation dotierten Gebietes exakt auf die epitaktische Schicht begrenzt werden. Zwischen Halbleitersubstrat und dünner epitaktischer Schicht kann auf diese Weise ein scharf und auf engem Raum definierter Halbleiterübergang erhalten werden.
Die epitaktische Schicht ist außerdem in ihrer Schichtdicke gut kontrollierbar und kann sehr dünn ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die Schichtdicke der epitaktischen Schicht so gewählt, dass sie bei z. B. gegebener Dotierstoffkonzentration zum Aufbau einer Mindestfeldstärke ausreichend ist, und dass der Anteil der darin absorbierten Lichtquanten minimal ist. Vorzugsweise wird die epitaktische Schicht hoch dotiert und in ihrer Schichtdicke minimiert. Dies garantiert, dass der überwiegende Anteil der Lichtquanten im wesentlich geringer dotierten Halbleitersubstrat bzw. der sich darin aufbauenden Raumladungszone absorbiert wird, wo eine geringe Ladungsträgerdichte vorliegt und wo die Wahrscheinlichkeit von Rekombinationen von Ladungsträgerpaaren minimiert ist. Dies garantiert, dass von den durch den Lichteinfall erzeugten Ladungsträgerpaaren ein hoher Anteil an entsprechenden Kontakten gesammelt als Fotostrom nutzbar gemacht werden kann.
Vorzugsweise wird die Dotierung der epitaktischen Schicht so hoch gewählt, dass eine Flächenladungsdichte von mehr als 6,6 × 10¹¹ cm^–2 entsteht. Diese Flächenladungsdichte ist ausreichend, im Bauelementkörper ein elektrisches Feld von zumindest 10⁵ V/cm tragen zu können. Bei dieser Feldstärke erreichen die Ladungsträger (Elektronen und Löcher) ihre Sättigungsgeschwindigkeit, also die maximale im elektrischen Feld erreichbare Geschwindigkeit. Mit diesem elektrischen Feld bzw. der dazu erforderlichen Flächenladungsdichte wird ein schnelles Ansprechen und ein schnelles Abklingen des Fotostroms im Bauelement erhalten. Da sich die Flächenladungsdichte als Produkt aus der Dotierstoffkonzentration und der Schichtdicke ergibt, ist das Einhalten der minimalen Flächenladungsdichte bei dünner werdenden Schichtdicken nur mit einer höheren Dotierstoffkonzentration möglich. Beispielsweise beträgt eine gut geeignete Schichtdicke für die hochdotierte epitaktische Schicht 5 nm, sodass dafür dann eine Dotierstoffkonzentration von mindestens 1,3 × 10¹⁸ cm^–3 erforderlich ist.
Das Bauelement kann eine pn-Struktur aufweisen. Ein erster Kontakt für die Ableitung oder Sammlung des Fotostroms ist dann außerhalb des Lichteinfallsfensters im Bereich der Sub stratwanne an der Oberfläche des Halbleitersubstrats vorgesehen. Zur niederohmigen Ableitung ist um diesen Wannenkontakt vorzugsweise eine mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp hochdotierte Zone oder ein hochdotiertes Anschlussgebiet vorgesehen.
Die dotierte Substratwanne kann einen flächenmäßig begrenzten Bereich im Halbleitersubstrat umfassen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Substratwanne ganzflächig im oberen Schichtbereich des Halbleitersubstrats ausgebildet ist.
Möglich ist es auch, das Bauelement mit einer PIN-Struktur zu versehen. In diesem Fall weist die Substratwanne keine oder eine nur sehr geringe Dotierung eines beliebigen Leitfähigkeitstyps auf. Der Halbleiterübergang wird dann über eine vergrabene Schicht, die mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp hoch dotiert ist, hergestellt. Diese vergrabene Schicht kann durch einen Hochenergieimplant erzeugt sein.
Möglich ist es jedoch auch, die vergrabene Schicht oberflächennah in einem Halbleiterkörper zu erzeugen, darüber epitaktisch eine niedrig oder gar nicht dotierte Halbleiterschicht aufwachsen zu lassen und die nun vergrabene Dotierungszone thermisch zu aktivieren und dabei zu vergrößern. Die vergrabene Schicht erstreckt sich dann in der Fläche zumindest über den gesamten Bereich unter dem Lichteinfallsfenster und darüber hinaus, um dort das hochdotierte Anschlussgebiet niederohmig sowohl an die vergrabene Schicht als auch an die Oberfläche anzubinden. Das Anschlussgebiet kann durch eine als Sinker ausgebildete Dotierung erzeugt werden, die von der Oberfläche des Halbleitersubstrats bis hin zur vergrabenen Schicht reicht.
Parallel oder alternativ dazu kann die epitaktische Schicht im unteren Schichtbereich intrinsisch ausgebildet sein. Dann kann die epitaktische Schicht auch dicker ausgebildet sein. Die weiter oben genannten Angaben zur vorteilhaften Bemessungen und Dotierung gelten dann nur für den hochdotierten oberen Bereich der epitaktischen Schicht. Im Extremfall kann die Dicke dieses hochdotierten Bereichs so dünn gewählt werden, dass praktisch nur noch eine Monolayer hochdotiert ist. Hierbei spricht man auch von Deltaspiking.
Der intrinsische untere Bereich der epitaktischen Schicht dagegen kann den intrinsischen Teil der PIN-Struktur verstärken, oder diesen darstellen.
Die vergrabene Schicht ist auch für ein Bauelement mit pn Übergang vorteilhaft, bei dem eine Wannendotierung vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorliegt.
Halbleitersubstrat und epitaktische Schicht umfassen einen Halbleiter, der aus Silizium, Siliziumgermanium oder Germanium ausgewählt sein kann. Vorzugsweise umfasst das Halbleitersubstrat Silizium, die epitaktische Schicht dagegen Siliziumgermanium. Die Dotierung vom ersten Leitfähigkeitstyp ist insbesondere eine p-Dotierung, die vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist dann eine n-Dotierung.
Eine weitere Verbesserung bezüglich der Effektivität der Ladungsträgersammlung im Bauelement wird erhalten, wenn in der epitaktischen Schicht bezüglich des Dotierstoffs vom ersten Leitfähigkeitstyp ein Dotiergradient eingestellt wird, der die Minoritätsladungsträger hin zum Halbleiterübergang beschleunigt. Dies wird mit einem Dotierprofil erreicht, bei dem die Dotierstärke innerhalb der epitaktischen Schicht in Richtung Halbleitersubstrat hin abnimmt. Vorzugsweise wird der Schichtbereich mit der höchsten Dotierung infinitesimal dünn erzeugt. Auf diese Weise erstreckt sich das beschleunigende Feld über die gesamte epitaktische Schicht, sodass darin an einer beliebigen Stelle durch Lichteinfall und Absorption erzeugte Minoritätsladungsträger hin zum Halbleiterübergang beschleunigt werden. Andernfalls würde der Transport hin zu den Kontakten ausschließlich durch Ladungsträgerdiffusion erfolgen, was wesentlich langsamer wäre und die Gefahr einer Rekombination nach sich zieht.
Das lichtempfindliche Bauelement kann als Diode betrieben werden. Dazu ist neben dem ersten Kontakt an der Substratwanne bzw. am Anschlussgebiet ein zweiter Kontakt an der epitaktischen Schicht vorgesehen.
Vorzugsweise wird die epitaktische Schicht ganzflächig über der isolierenden Schicht und dem Lichteinfallsfenster aufgebracht. Während über dem Lichteinfallsfenster ein epitaktisches und damit monokristallines Aufwachsen gewünscht ist, kann der übrige Bereich auch polykristallin aufwachsen. Zur Herabsetzung des elektrischen Serienwiderstands beim elektrischen Anschluss kann die epitaktische Schicht außerhalb des Lichteinfallsfensters durch zusätzliche Dotierung niederohmig gemacht werden.
Alternativ kann außerhalb des Lichteinfallsfensters unter oder über der epitaktischen Schicht eine gut leitende Schicht, beispielsweise eine dotierte Polysiliziumschicht vorgesehen sein, die den Stromstransport übernimmt oder unterstützt. Diese Schicht kann für sich allein den elektrischen Anschluss der epitaktischen Schicht niederohmig machen.
Möglich ist es auch, aus einer solchen hoch dotierten Schicht durch Ausdiffusion der darin enthaltenen Dotierstoffe in die epitaktische Schicht deren Dotierung in diesem Bereich zu erhöhen. Außerhalb des Lichteinfallsfensters ist auf der epitaktischen Schicht oder einer darüber liegenden hoch dotierten Schicht eine metallische Anschlussfläche als elektrischer Kontakt angeordnet.
Über den ersten Kontakt am Anschlussgebiet bzw. an der Substratwanne und den zweiten Kontakt an der epitaktischen Schicht wird der in der Diode erzeugte Fotostrom abgeleitet. Zur Unterstützung kann an die beiden Kontakte eine BIAS-Spannung angelegt werden. Möglich ist es jedoch auch, das Bauelement ohne zusätzliche BIAS-Spannung zu betreiben, wobei die Ladungsträgertrennung allein durch das in der Raumladungszone sich ausbildende elektrische Feld erfolgt. In allen Fällen wird ein sehr schnell ansprechendes und abklingendes lichtempfindliches Bauelement erhalten, mit dem ein Fotostrom gemessen werden kann, der im Wesentlichen auch der Menge der durch Lichteinfall erzeugten Ladungsträgerpaare entspricht.
Die Dicke der Raumladungszone ist sowohl durch die Dicke und Dotierungsstärke der mit Dotierstoff vom ersten Leitfähigkeitstyp hochdotierten epitaktischen Schicht als auch durch den Abstand der ebenfalls hochdotierten vergrabenen Schicht von der Oberfläche des Halbleitersubstrats abhängig. Nur innerhalb der Raumladungszone absorbiertes Licht erzeugt Ladungsträgerpaare, die im Feld einer Drift unterliegen und zu den Kontakten hin beschleunigt und sicher und in einem gewünschten Zeitfenster gesammelt werden können. Da in Silizium die Eindringtiefe von Licht aber mit der Wellenlänge zunimmt, muss die Dicke der Raumladungszone mit zunehmender Wellenlänge auch dicker ausgeführt werden, um ausreichend Ladungsträ gerpaare darin zu erzeugen und das Bauelement mit ausreichendem Wirkungsgrad zu betreiben.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Empfindlichkeit des Bauelements für rotes Licht dennoch erhöht werden, indem die Raumladungszone zumindest teilweise in die hoch dotierte vergrabene Schicht hinein erweitert wird. Dies gelingt in einfacher Weise, indem die vergrabene Schicht nicht als homogenes großflächiges dotiertes Gebiet erzeugt wird, sondern vielmehr strukturiert in einem ansonsten schwach dotierten Substrat gefertigt wird. Die Dotierung der vergrabenen Schicht ist vorzugsweise streifen-, gitter- oder rahmenförmig strukturiert. Wesentlich ist dabei, dass zwischen den dotierten Bereichen innerhalb dieser Struktur schwach dotiertes Substrat verbleibt, sodass sich innerhalb der vergrabenen Schicht ein horizontal wirkendes Feld aufbauen kann. Die Raumladungszone erstreckt sich dann in diese schwach dotierten Bereiche zwischen die hoch dotierten Bereiche hinein. Somit stehen auch diese zur Bildung von Ladungsträgerpaaren zur Verfügung, die im schwach dotierten Gebiet erzeugt, im Feld der erweiterten Raumladungszone hin zu den hoch dotierten Bereichen der vergrabenen Schicht bzw. zur hoch dotierten epitaktischen Schicht hin beschleunigt und über die entsprechenden Kontakte abgeleitet werden können. Bei der Strukturierung der vergrabenen Schicht ist ein hoher Flächenanteil des verbleibenden schwach dotierten Substrats gegen einen ausreichend niederohmigen Anschluss über die vergrabene Schicht abzuwägen. Im Falle einer streifenförmigen Strukturierung sind die Streifen so ausgerichtet, dass sie den Bereich unter dem Lichteinflussfenster mit dem Anschlussgebiet bzw. dem Bereich des ersten Kontakts niederohmig verbinden. An den Enden können die streifenförmigen hoch dotierten Gebiete der vergrabenen Schicht über quer dazu verlaufen de Metallisierungen oder Dotierungsstreifen elektrisch kurzgeschlossen sein.
Üblicherweise wird die vergrabene Schicht mittels einer Implantation als Gebiet relativ geringer Dicke erzeugt und in einem späteren thermischen Schritt aktiviert und dabei volumenmäßig erweitert. Unabhängig davon, ob die vergrabene Schicht zunächst in der Oberfläche des Substrats erzeugt und anschließend mit einer epitaktischen Substratschicht überdeckt oder mittels Tiefenimplantation direkt in der gewünschten Tiefe erzeugt wird, kann ein Eindiffundieren von Dotierstoff aus der Substratwanne in die nur schwach dotierten Bereiche innerhalb der Struktur verhindert werden, indem auch die Dotierung der Substratwanne in entsprechender Weise und beispielsweise streifen- oder gitterförmig strukturiert wird. Dies führt bei der Aktivierung der dotierten Gebiete dazu, dass diese sich zunächst vereinigen, ohne zu stark in die Bereiche innerhalb der Struktur der vergrabenen Schicht hinein zu diffundieren.
In einer weiteren Ausgestaltung des Bauelements wird auch der Bereich unterhalb der vergrabenen Schicht zur Bildung von Ladungsträgerpaaren und deren Ableitung an entsprechenden Kontakten herangezogen. Dazu wird unterhalb der vergrabenen Schicht eine zweite Raumladungszone erzeugt, indem dort an die vergrabene Schicht eine positive Spannung relativ zum Halbleitersubstrat angelegt wird. Das Halbleitersubstrat ist schwach mit dem ersten Leitfähigkeitstyp dotiert. Das in dieser zweiten Raumladungszone sich ausbildende elektrische Feld ist umgekehrt gepolt wie das der ersten Raumladungszone, beschleunigt die Ladungsträger hin zur vergrabenen Schicht bzw. weiter nach unten hin zum Substrat und wird von dort zu einem entsprechenden Substratkontakt auf der Oberfläche des Halb leitersubstrats geleitet. Eine geeignete Bemessung der Schichtdicke der zweiten Raumladungszone wird durch eine entsprechend , schwache Dotierung des Halbleitersubstrats mit dem ersten Leitfähigkeitstyp erreicht.
In einer weiteren Ausgestaltung des Bauelements bildet sich die zweite Raumladungszone auch ohne vergrabene Schicht aus. Die Dotierung der Substratwanne vom zweiten Leitfähigkeitstyp wird dabei größer als diejenige des Halbleitersubstrats des ersten Leitfähigkeitstyps gewählt. Auch so werden zwei bezüglich ihrer Polung entgegengesetzt wirkende elektrische Felder erzeugt, die die erzeugten Ladungsträgerpaare entsprechend dem Ort ihrer Entstehung entweder zum Substratkontakt und zum ersten Kontakt oder zum ersten und zum zweiten Kontakt hin beschleunigen. Für diese Ausführung ist keine strukturierte Dotierung in Form eines Gitter- oder Streifenmusters erforderlich. Auch damit gelingt es, die insgesamt zur Absorption von Licht bzw. zur Erzeugung von Ladungsträgerpaaren nutzbare Schichtdicke der Halbleiterschicht so zu vergrößern, dass auch ein hoher Anteil des roten Lichts mit dem Bauelement nachgewiesen werden kann. Insgesamt können so je nach Substratdotierung bis zu 15 oder gar 20 μm Schichtdicke für den Lichteinfall bzw. -nachweis genutzt werden.
Die Empfindlichkeit des Bauelements kann gesteigert werden, wenn zusätzlich über der epitaktischen Schicht noch eine Emitterstruktur angeordnet wird und das Bauelement als Fototransistor betrieben wird. Die Emitterstruktur umfasst eine strukturierte weitere Halbleiterschicht, die mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp dotiert ist. Die Emitterstruktur kann dann z. B. polykristallin durch einen beliebigen Schichterzeugungsprozess ganzflächig aufgebracht werden. Anschließend erfolgt eine Strukturierung so, dass die Emitterstruktur über der epitaktischen Schicht nur zu einer minimalen Abschattung im Bereich des Lichteinfallsfensters führt.
Eine geeignete Emitterstruktur ist daher vorzugsweise nur im Randbereich oder im Zentrum des Lichteinfallsfensters auf oder über der epitaktischen Schicht angeordnet. Vorteilhaft ist die Emitterstruktur dem Rand des Lichteinfallsfensters folgend ringförmig geschlossen ausgebildet. Im Inneren der ringförmigen Emitterstruktur bleibt die epitaktische Schicht unabgeschattet und frei von Licht absorbierenden zusätzlichen Halbleiterschichten. Beide mögliche Strukturierungen haben den Vorteil, das dabei die Strompfade nur kurz sind. Die zentrale Anordnung hat den Vorteil, dass der Transistor flächenmäßig kleiner und daher mit geringerem Stromverbrauch ausgebildet werden kann.
Über der epitaktischen Schicht kann eine Dielektrikumsschicht – insbesondere eine Oxidschicht oder eine Oxid/Nitrid Doppelschicht – angeordnet werden, in der dann einem Emitterfenster entsprechenden Ausnehmungen angeordnet werden. Die Emitterstruktur kann dann selektiv darin abgeschieden werden.
An der Emitterstruktur wird ein Emitterkontakt vorgesehen. Damit kann das Bauelement zusätzlich als Fototransistor betrieben werden. Die als Basis des Fototransistors dienende epitaktische Schicht kann frei floatend bleiben, während zwischen dem ersten Kontakt und dem Emitterkontakt eine BIAS-Spannung angelegt wird, die bezüglich des Halbleiterübergangs zwischen Substrat und epitaktischer Schicht in Sperrrichtung gepolt ist, bezüglich des Halbleiterübergangs zwischen epitaktischer Schicht und Emitterstruktur dagegen in Vorwärtsrichtung. Für einen npn Transistor entspricht dies einer BIAS-Spannung, deren negatives Potential an der Emitterstruktur anliegt. In einer solchen Anordnung und insbesondere bei angelegter BIAS-Spannung führt jedes Ladungsträgerpaar, das durch Absorption im Bereich der Raumladungszone erzeugt wird, zu einer Änderung des Potentials der epitaktischen als Basis fungierenden Schicht. Dies löst die Transistoraktion aus. Der erzeugte Fotostrom wird mit dem Verstärkungsfaktor des Fototransistors multipliziert, der ungefähr dem ”Gain-Factor” eines herkömmlichen Bipolartransistors mit ähnlicher Struktur gleicht. Mit dem Fototransistor können Verstärkungsfaktoren von zirka 150 und mehr erreicht werden. Somit kann mit dem als Fototransistor betriebenen lichtempfindlichen Bauelement die Empfindlichkeit gegenüber einfallenden Lichtquanten um mehr als zwei Größenordnungen gegenüber einem als Fotodiode betriebenen lichtempfindlichen Bauelement vergrößert werden. In Kauf genommen wird jedoch eine gegenüber der Fotodiode leicht verminderte Ansprechgeschwindigkeit des Bauelements.
Möglich ist es jedoch auch, das Bauelement mit Emitterstruktur mit einem Basis- bzw. Kollektorstrom zu betreiben. Wird dieser Strom bzw. der Arbeitspunkt richtig eingestellt, so gelingt es, die Geschwindigkeit des Transistors weiter zu erhöhen. So kann beispielsweise in einem Ausführungsbeispiel mit einer zwischen epitaktischer Schicht und Substratkontakt angelegten Spannung von ca. 0,7 bis 0,8 V eine maximale Transitfrequenz (F_T Frequenz) des Transistors erhalten werden. Dazu wird z. B. zwischen ersten und zweiten Kontakt ein Widerstand geschaltet. An den ersten Kontakt wird ein elektrisches Potential angelegt, der Emitterkontakt dagegen mit Masse verbunden. Über die Höhe des Widerstands und das angelegte Potential ist dann der Basisstrom einstellbar. Abhängig davon stellt sich ein Kollektorstrom ein, dessen Höhe dann für die erreichbare maximale Transitfrequenz maßgeblich ist.
Das vorgeschlagene lichtempfindliche Bauelement mit Emitterstruktur kann mit drei elektrischen Anschlüssen ausgestattet werden, die den Anschlüssen für Kollektor, Basis und Emitter bzw. hier im Bauelement für Substratwanne bzw. vergrabene Schicht, epitaktische Schicht und Emitterstruktur ausgelegt sind. Je nach externer Verschaltung kann das Bauelement dann entweder als schnelle Fotodiode oder als empfindlicher Fototransistor betrieben werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein dem besseren Verständnis der Erfindung, sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt ein als Fotodiode betreibbares Bauelement im schematischen Querschnitt.
2 zeigt ein als Fototransistor betreibbares Bauelement im schematischen Querschnitt.
3 zeigt verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung der vergrabenen Schicht im schematischen Querschnitt.
4 zeigt die Herstellung einer strukturierten vergrabenen Schicht.
5 zeigt verschiedene Strukturierungsmöglichkeiten für die vergrabene Schicht.
6 zeigt verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung des als Fotodiode betreibbaren Bauelements.
7 zeigt ein als Fototransistor betreibbares Bauelement in schematischer Draufsicht.
8 zeigt parallele und übereinstimmende Verfahrensschritte bei der Herstellung eines bekannten Bipolartransistors und eines erfindungsgemäßen Fototransistors im schematischen Querschnitt.
9 zeigt ein Bauelement mit zweiter Raumladungszone und strukturierter vergrabener Schicht im schematischen Querschnitt.
10 zeigt ein Bauelement mit zweiter Raumladungszone und ohne vergrabene Schicht im schematischen Querschnitt.
11 zeigt das Dotierprofil der vergrabenen Schicht und des Halbleitersubstrats im schematischen Querschnitt.
12 zeigt die Eindringtiefe von Licht in Silizium in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
1 zeigt ein als Fotodiode betreibbares lichtempfindliches Bauelement im schematischen Querschnitt. Das Bauelement ist auf einem niedrig dotierten Halbleitersubstrat SU aufge baut, das im oberen Bereich eine Dotierung vom zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist. Über dem Substrat ist eine isolierende Schicht IS angeordnet, beispielsweise ein aufgewachsenes Feldoxid. Möglich ist jedoch auch, die isolierende Schicht um das Lichteinfallsfenster herum als STI Isolierung (shallow trench isolation) auszubilden. Darüber kann wahlweise noch eine weitere isolierende Schicht angeordnet werden, beispielsweise eine Oxid/Nitrid-Doppelschicht, um beispielsweise außerhalb der STI Isolierung das Halbleitersubstrat SU gegen die spätere epitaktische Schicht zu isolieren. Mit einer solchen Doppelschicht gelingt auch eine einfache Strukturierung. Im Bereich eines Lichteinfallsfensters LF ist das Substrat von der isolierenden Schicht IS unbedeckt.
Oberhalb der isolierenden Schicht und das Lichteinfallsfenster LF überdeckend ist eine epitaktische Schicht ES angeordnet, die zumindest einen mit einem Dotierstoff vom ersten Leitfähigkeitstyp hochdotierten oberen Schichtbereich aufweist. Zwischen epitaktischer Schicht ES und Halbleitersubstrat SU bildet sich ein Halbleiterübergang aus. Weiter ist eine vergrabene Schicht VS dargestellt, die mit Dotierstoff des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, aber eine höhere Dotierungsstärke aufweist. Außerhalb des Lichteinfallsfensters LF ist ein ebenfalls mit Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp hochdotiertes Anschlussgebiet AG vorgesehen, welches von der Oberfläche des Halbeitersubstrats SU bis zur vergrabenen Schicht VS reicht. Damit gelingt ein niederohmiger Anschluss der vergrabenen Schicht und damit des Halbleitersubstrats mittels eines ersten Kontakts K1. Ein zweiter Kontakt K2 ist auf der epitaktischen Schicht ES außerhalb des Lichteinfallsfensters LF angeordnet. Erster und zweiter Kontakt bestehen beispielsweise aus einer Metallisierung, insbe sondere einer Standardmetallisierung eines CMOS oder Bipolar Prozessablaufs wie beispielsweise Aluminium.
2 zeigt ein als Fototransistor betreibbares lichtempfindliches Bauelement im schematischen Querschnitt. Auch dieses weist ein schwach dotiertes Halbleitersubstrat SU auf, das im oberen Bereich eine Dotierung vom zweiten Leitfähigkeitstyp besitzt. Möglich ist es jedoch auch, im Halbleitersubstrat im Bereich des Lichteinfallsgebiets eine schwach dotierte Substratwanne SW vom zweiten Leitfähigkeitstyp in einem entgegengesetzt dotierten Halbleiterwafer zu erzeugen. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats sitzt eine isolierende Schicht IS auf, in der ein Lichteinfallsfenster LF strukturiert ist. Auf der isolierenden Schicht IS und im Bereich des Lichteinfallsfensters LF auf dem Halbleitersubstrat SU aufliegend ist eine dünne epitaktische Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp angeordnet, die gegenüber dem Halbleitersubstrat SU eine höhere Dotierung aufweist. Im Randbereich des Lichteinfallsfensters ist direkt auf der epitaktischen Schicht ES eine Emitterstruktur EM angeordnet, die aus einer dotierten Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp herausstrukturiert ist. Möglich ist es auch, eine dielektrische Schicht über der epitaktischen Schicht zu erzeugen, darin Ausnehmungen zu strukturieren, in denen die Emitterstruktur mit der epitaktischen Schicht in Kontakt treten kann anschließend darüber die Emitterstruktur abzuscheiden. Dies kann selektiv in den Ausnehmungen erfolgen. Möglich ist jedoch auch, einen großflächig abgeschiedenen nachträglich zu strukturieren.
Außerhalb des Lichteinfallsfensters ist ein hochdotiertes Anschlussgebiet AG vorgesehen, welches von der Oberfläche bis zur vergrabenen Schicht VS reicht, die in einer geeigneten Tiefe im Halbleitersubstrat SU angeordnet ist. Hier ist eine dotierte Substratwanne SW im Bereich des Lichteinfallsgebiets vorgesehen, die den aktiven Bauelementbereich unterhalb des Lichteinfallsfensters gegenüber dem übrigen Substratbereich durch einen sperrenden Halbleiterübergang isoliert.
Der elektrische Anschluss des als Fototransistor betreibbaren Bauelements erfolgt über einen ersten Kontakt, der über dem Anschlussgebiet AG im Bereich eines dort geöffneten Substratkontaktfensters SKF angeordnet wird. Ein weiterer Kontakt, der Emitterkontakt, ist auf der Oberfläche der Emitterstruktur EM vorgesehen, wobei beide Kontakte aus einer Standardmetallisierung und insbesondere aus Aluminium bestehen können.
Zur Herstellung eines Bauelements nach 1 oder 2 kann auf Standardverfahren zurückgegriffen werden, die zur Herstellung von Bipolartransistoren mit differentieler Basis eingesetzt werden und z. B. aus der WO 2004/049452 A1 bekannt ist. Dazu wird z. B. in einem Halbleiterkörper HL, beispielsweise mit schwacher Dotierung (z. B. 10¹⁴ cm^–3) vom ersten Leitfähigkeitstyp eine hohe oberflächennahe vergrabene Dotierung VD vom zweiten Leitfähigkeitstyp mittels Implantation erzeugt. Durch epitaktisches Abscheiden einer Substratschicht SU, beispielsweise mit schwacher Dotierung (z. B. 10¹⁴ cm^–3) vom ersten Leitfähigkeitstyp, auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers wird die vergrabene Dotierung VD überdeckt und dabei tiefer in den Halbleiter hinein verlegt (siehe 3a).
Im nächsten Schritt wird in der Substratschicht SU eine Wannendotierung WD zur Erzeugung einer Substratwanne SW eingebracht, beispielsweise mittels Implantation und anschließender Diffusion. 3b zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Parallel dazu oder gesondert in einem thermischen Schritt wird sowohl der Dotierstoff der vergrabenen Dotierung VD als auch der Dotierstoff der Wannendotierung aktiviert und durch Diffusion zur Substratwanne SW bzw. zur vergrabene Schicht VS erweitert. Auf diese Weise wird die in 3c dargestellte Anordnung erhalten.
In Abweichung von den in 3 dargestellten Verfahrensschritten kann die vergrabene Schicht auch strukturiert erzeugt werden. Dazu wird ähnlich wie in 3A in der Oberfläche eines mit dem ersten Leitfähigkeitstyp schwach dotierten Halbleiterwafers eine vergrabene Dotierung VD_ST strukturiert erzeugt, beispielsweise durch Implantation über eine entsprechend strukturierte Maske. Es kann eine streifen-, gitter- oder rahmenförmige Dotierungsstruktur erzeugt werden. Durch epitaktische Abscheidung wird die vergrabene Dotierung mit einer Substratschicht SU, vorzugsweise der gleichen schwachen Dotierung vom ersten Leitfähigkeitstyp, abgedeckt, wie es in 4A dargestellt ist.
Anschließend wird in der Substratschicht SU durch Implantation eine Wannendotierung WD_ST erzeugt. Die Wannendotierung erfolgt wie in 4B dargestellt ebenfalls strukturiert und deckungsgleich zur Struktur der vergrabenen Dotierung. Anschließend werden die Dotierungen aktiviert, wobei die strukturierte Wannendotierung WD_ST zu einer homogenen Substratwanne SW zusammenwächst, indem sich der Dotierstoff entsprechend gleichmäßig verteilt. Eine Ausdiffusion aus der strukturierten vergrabenen Dotierung erfolgt dabei nicht oder nur in geringem Umfang, wenn dafür ein Dotierstoff mit geringerer Beweglichkeit verwendet wird. Für die vergrabene Dotierung kann beispielsweise Antimon, für die Wannendotierung dagegen Phosphor verwendet werden.
4C zeigt die Anordnung nach Aktivierung und Diffusion. Unter der Substratwanne SW befindet sich nun die strukturierte vergrabene Schicht VS_ST, die sich durch die Aktivierung nur wenig vergrößert hat. In einem weiteren darunter liegenden Bereich bleibt die schwache Dotierung vom ersten Leitfähigkeitstyp des Halbleiterwafers erhalten.
5 zeigt mögliche Strukturierungen für die vergrabene Schicht in der Draufsicht. In 5A ist die Dotierung der vergrabenen Schicht in Form von zueinander paralleler schmaler Streifen von beispielsweise 3 μm Breite mit jeweils 3 μm Abstand ausgeführt. An beiden Enden sind die Streifen durch einen quer dazu verlaufenden Streifen miteinander verbunden.
5B zeigt ebenfalls streifenförmige Dotierungen, die jedoch an den Enden über metallische Stege MS miteinander verbunden sind.
5C zeigt eine gitterförmige Strukturierung der vergrabenen Schicht, wobei ein regelmäßiges Raster von Substratbereichen mit verbleibender schwacher Dotierung über die gesamte Dicke der vergrabenen Schicht verbleibt.
5D zeigt eine in Form eines Rahmens strukturierte vergrabene Schicht, bei der innerhalb des Rahmens ein flächenmäßig größerer Anteil schwach dotierten Substratmaterials verbleibt, in das hinein sich die Raumladungszone ausdehnen kann. Bezüglich der Sammlungseffizienz durch einfallendes Licht erzeugter Ladungsträgerpaare ist die rahmenförmige Struktur gemäß 5D bevorzugt. Den geringsten Anteil schwach dotierter Gebiete innerhalb der vergrabenen Schicht weist die Ausführung gemäß 5C aus, sodass mit dieser Struktur die relativ gesehen die wenigsten derjenigen Ladungsträger eingesammelt werden können, die innerhalb der vergrabenen Schicht erzeugt werden. Die Strukturen gemäß den 5A und 5B sind annähernd gleichwertig bezüglich der Effektivität der Ladungsträgerableitung. Umgekehrt dazu verhält sich der Serienwiderstand der vergrabenen Schicht, der für die Struktur gemäß 5C am geringsten, für die gemäß 5D jedoch am größten ist.
Für die weiteren Verfahrensschritte bei der Herstellung des Bauelements kann von vorbereiteten Substraten gemäß 3C oder gemäß 4C ausgegangen werden, da die Struktur der vergrabenen Schicht keinerlei Wechselwirkung mit den übrigen Herstellschritten aufweist. In den Figuren wird der Einfachheit halber stets eine homogene vergrabene Schicht dargestellt, die jedoch wie gesagt auch strukturiert sein kann.
Im nächsten Schritt wird eine isolierende Schicht IS erzeugt, die die Oberfläche des Halbleitersubstrats bedeckt, jedoch einen beispielsweise rechteckigen Bereich eines Lichteinfallsfensters LF ausspart. Dies kann beispielsweise durch Aufwachsen eines Feldoxids erfolgen, wobei der Bereich des Lichteinfallsfensters durch eine entsprechende Maske abgedeckt wird. Möglich ist es auch, eine isolierende Schicht großflächig abzuscheiden und anschließend zu strukturieren, oder wie in der Diodenausführung eine STI Isolation vorzusehen. Zur Strukturierung der isolierenden Schicht kann der gleiche Maskenschritt verwendet werden, die auch bei der Herstellung bzw. Öffnung eines Basisfensters eines analogen Bipolaren Transistors eingesetzt wird, was der späteren Basis/Kollektor-Kontaktfläche entspricht. Über der isolierenden Schicht IS wird anschließend gemäß einer ersten Ausführungsvariante eine leitende Schicht DS angeordnet und so strukturiert, dass wiederum das Lichteinfallsfenster LF ausgespart bleibt. 5 zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Im nächsten Schritt wird eine epitaktische Schicht ES aufgebracht und bereits während der Abscheidung dotiert. Die Epitaxie wird dabei so gesteuert, dass die Dotierung innerhalb der epitaktischen Schicht ein nach oben hin zunehmendes Dotierungsstärke vom ersten Leitfähigkeitstyp und/oder eine Germaniumprofil erhält, bei dem der Germaniumgehalt von unten nach oben hin bzw. mit zunehmender Aufwachsstärke abnimmt. 6 zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe. Möglich ist es auch, die epitaktische Schicht ausschließlich in ihrem oberen Schichtbereich hoch zu dotieren. Die Dicke des undotierten unteren Bereichs der epitaktischen Schicht kann z. B. 100 nm betragen, die des oberen hochdotierten (nach einer Diffusion) ca. 30 bis 50 nm.
Über der leitenden Schicht DS, welche beispielsweise aus Polysilizium ausgeführt ist, wächst die epitaktische Schicht ES üblicherweise in polykristalliner Modifikation auf, im Bereich des Lichteinfallsfensters LF dagegen in monokristalliner Modifikation.
Zur Vervollständigung des Bauelements wird außerhalb des Lichteinfallsfensters LF die Oberfläche des Substrats in einem Substratkontaktfenster SKF (siehe 2) freigelegt. Darin kann anschließend eine Dotierung zur Erzeugung eines hochdotierten Anschlussgebiets AG eingebracht werden, die bis zur vergrabenen Schicht VS geführt wird. Ein zweiter Kontakt wird außerhalb des Lichteinfallsfensters LF auf der Oberflä che der epitaktischen Schicht ES aufgebracht. Über die hochdotierte Schicht DS kann anschließend Dotierstoff in die epitaktische Schicht außerhalb des Lichteinfallsfensters diffundiert werden, wobei ein niederohmiger Anschluss der epitaktischen Schicht ES möglich ist.
Das Bauelement kann vollständig in Silizium realisiert sein. Möglich ist es jedoch auch, die Substratschicht SU mit einer Germaniumdotierung zu versehen, wobei eine einem Heterobipolartransistor ähnliche Struktur jedoch ohne Emitter erhalten wird. Wesentlich ist, dass die Emitterschicht ES im Bereich des Lichteinfallsfensters LF eine hohe Dotierung, das Substrat SU unter dem Lichteinfallsfensters jedoch eine niedrigere Dotierung aufweist. Die epitaktische Schicht ES wird außerdem in einer minimalen Schichtdicke aufgebracht, die jedoch so gewählt ist, dass sie ein elektrisches Feld von ca. 1 × 10⁵ V/cm tragen kann. Geeignet ist beispielsweise eine epitaktische Schicht einer Dotierstoffkonzentration von zumindest 1,3 × 10¹⁸/cm³.
Die Dicke der hochdotierten epitaktischen Schicht wird so niedrig gewählt, dass ein möglichst geringer Anteil einfallender Lichtquanten innerhalb der epitaktischen Schicht absorbiert wird. Geeignet ist beispielsweise eine Schichtdicke von zirka 50 nm oder weniger . Zwischen epitaktischer Schicht ES und Halbleitersubstrat SU bildet sich ein Halbleiterübergang aus, um den herum sich durch Diffusion von Majoritätsladungsträger in die jeweils benachbarte Schicht eine Raumladungszone aufbaut. Diese reicht aufgrund der dort geringen Dotierung des Halbleitersubstrats SU relativ tief bis annähernd zur vergrabenen Schicht VS und umfasst außerdem einen Bereich der epitaktischen Schicht ES. Die vergrabene Schicht ist in einer solchen Tiefe im Halbleiter angeordnet, dass die nachzuweisenden Lichtquanten bzw. die Lichtquanten im gewünschten Wellenlängenbereich vollständig oberhalb der hochdotierten vergrabenen Schicht absorbiert werden. Für längerwelliges Licht kann dazu eine Halbleiter-Schichtdicke bis zu mehreren 10 μm erforderlich sein, für kurzwelliges dagegen nur wenige Zehn nm.
Wird die epitaktische Schicht ES z. B. p-dotiert, so wandern die Löcher der erzeugten Ladungsträgerpaare in die epitaktische Schicht und von dort zum zweiten Kontakt, während die parallel erzeugten Elektronen über die vergrabene Schicht und das Anschlussgebiet AG zum ersten Kontakt geleitet werden.
Wird das bis dahin hergestellte Bauelement zum Fototransistor erweitert, wird im nächsten Schritt eine Emitterschicht in Form einer Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp aufgebracht, beispielsweise in Form von polykristallinem Silizium. Anschließend wird die Emitterschicht so strukturiert, dass eine vorzugsweise ringförmig geschlossene Emitterstruktur EM verbleibt, die einen großen Teil der epitaktischen Schicht innerhalb des Lichteinfallsfensters unbedeckt lässt. Abschließend wird über der Emitterstruktur EM noch ein Emitterkontakt erzeugt, der gegenüber die epitaktische Schicht ES elektrisch isoliert ist.
7 zeigt in einer schematischen Draufsicht auf die Oberfläche eines als Fototransistor ausgebildeten Bauelements eine beispielhaft gewählte geeignete Dimensionierung der Bauelementkomponenten. Die Größe des Lichteinfallsfensters LF ist maßgeblich für den Flächenbereich, in dem Lichtquanten eingefangen und im Bauelement absorbiert werden können. Beabstandet zum Rand des Lichteinfallsfensters LF ist die Emitterstruktur EM vorgesehen, die wie dargestellt beispiels weise als schmales Band der Kante des Lichteinfallsfensters folgend ausgeführt werden kann. Die im Halbleitersubstrat SU vergrabene Schicht VS weist eine größere Ausdehnung als das Lichteinfallsfenster LF auf und bietet noch Raum zum Herstellen des Substratkontakts. Die Ausdehnung der epitaktischen Schicht ist so, dass zumindest das Lichteinfallsfenster LF von epitaktischer Schicht vollständig bedeckt ist. Üblicherweise lässt man die epitaktische Schicht jedoch die isolierende Schicht außerhalb des Lichteinfallsfensters überlappen. Der Substratkontakt kann dementsprechend auch in einem Fenster innerhalb der epitaktischen Schicht angeordnet werden. Die isolierende Schicht IS kann die gesamte Oberfläche des Substrats bedecken und ist unterhalb der epitaktischen Schicht ES mit zumindest gleich großer Flächenabmessung angeordnet. In der isolierenden Schicht ist entsprechend noch der erste Kontakt zum Anschluss des Anschlussgebiets ausgespart bzw. strukturiert.
9 zeigt ein fertiggestelltes Bauelement mit strukturierter vergrabener Schicht VS_ST im schematischen Querschnitt. Gegenüber der Ausführung gemäß 1 weist dieses Beispiel zwei wesentliche Unterschiede auf. Die vergrabene Schicht VS_ST ist strukturiert und das Halbleitersubstrat HL ist über einen seitlich versetzt zur ersten Raumladungszone angeordneten Substratkontakt SK an der Oberfläche kontaktiert.
Zum Betrieb eines Bauelements gemäß diesem Ausführungsbeispiel können der zweite Kontakt K2 und der Substratkontakt SK auf gleiches Potenzial, beispielsweise auf Massepotenzial, gelegt werden. In Abhängigkeit von der Leitfähigkeitstypszuordnung wird der erste Kontakt auf eine BIAS-Vorspannung in Sperrrichtung der jeweiligen Diode gelegt. Ist die vergrabene Schicht bzw. die Substratwanne n-dotiert, wird der erste Kontakt mit einem positiven BIAS verbunden.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit erster und zweiter Raumladungszone RLZ1, RLZ2, die sich ohne strukturierte vergrabene Schicht ausbilden kann. Unterhalb der Substratwanne SW ist das schwach dotierte Halbleitersubstrat HL vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen, in das sich eine zweite Raumladungszone hinein erstrecken kann. Das Substrat ist über einen Substratkontakt SK außerhalb der und seitlich versetzt zur Substratwanne angeschlossen. Die Substratwanne kann über einen ersten Kontakt K1 angeschlossen werden, ohne dass dazu in diesem Bereich die Dotierung der Substratwanne erhöht werden muss bzw. ohne dass dazu ein hoch dotiertes Anschlussgebiet erzeugt werden muss. Auch hier können der zweite Kontakt K2 und der Substratkontakt SK auf das gleiche Potenzial gelegt werden, während an die Substratwanne SW bzw. den dazugehörigen ersten Kontakt K1 eine Vorspannung in Sperrrichtung gelegt wird, die beispielsweise positiv ist, wenn die Substratwanne n-dotiert ist.
Die verbesserte Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Bauelements mit zweiter Raumladungszone bzw. mit strukturierter vergrabener Schichten wird anhand der 11 und 12 deutlich. 11 zeigt ein beispielhaftes Dotierprofil für eine an sich bekannte vergrabene Schicht. Diese Dotierung reicht hier bis in eine Tiefe von ca. 3,5 μm und weist dort einen hohen Gehalt von mehr als 10¹⁶ Störstellen pro cm³ auf, in der eine hohe Rekombinationswahrscheinlichkeit für erzeugte Ladungsträgerpaare gegeben ist.
12 zeigt die Eindringtiefen für Licht in Silizium für drei verschiedene Wellenlängen. Kurve 1 entspricht langwelli gem infraroten Licht von ca. 780 nm, Kurve 2 entspricht rotem Licht von ca. 660 nm und Kurve 3 entspricht blauem Licht von ca. 410 nm. Klar wird, dass die Eindringtiefe mit zunehmender Wellenlänge größer wird. Vergleicht man dies mit der Ausdehnung der vergrabenen Schicht, so wird klar, dass ein Großteil des eingestrahlten Lichts für infrarotes Licht (Kurve 1) und ein nicht unerheblicher Anteil für rotes Licht (Kurve 2) im Bereich der vergrabenen Schicht absorbiert wird. Mit einer erfindungsgemäß strukturierten vergrabenen Schicht kann ein hoher Anteil der dort erzeugten Ladungsträger ohne vorzeitige Rekombination gesammelt werden und damit der Wirkungsgrad bei der Ladungsträgersammlung erheblich verbessert werden. Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements ist es möglich, auf die für die Herstellung eines Bipolartransistors verwendeten Fotomaskenschritte zurückzugreifen, sodass gegenüber dem Prozessverlauf bei der Herstellung eines Bipolartransistors keine Unterschiede bestehen. Das Bauelement kann lediglich bezüglich seiner Dotierungen und Schichtdicken an die Erfordernisse zur Absorption und zum Ableiten von Lichtquanten optimiert sein. Es ist aber auch möglich, das erfindungsgemäße Bauelement komplett in den Bipolarprozess zu integrieren, so dass auf einem Wafer parallel mit den gleichen Schritten und bei gleichen Bedingungen Bipolartransistoren und erfindungsgemäße Bauelemente hergestellt werden können. Dies kann ohne Einbuße in der Performance eines der beiden Bauelementtypen erfolgen.
Das Verhältnis der Fläche A_e der Emitterstruktur zur Fläche des Lichteinfallsfensters, die im Fototransistor der Fläche der Basis A_b entspricht, kann gemäß folgender Gleichung optimiert werden:
wobei J_S der Sättigungsstromdichte des Transistors entspricht, U_b die Basisspannung ist, U_t für k × T/Q, also der thermischen Spannung steht, β dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors I_c/I_b entspricht, e die Elementarladung und ϕ der einfallende Photonenstrom ist, der in Elektronen/Lochpaare umgewandelt wird.
Wird die relative Fläche der Emitterstruktur im Vergleich zur Größe der Basis (entspricht Größe des Lichteinfallsfensters) wie eben angegeben ausgewählt, so wird eine geeignete Basisspannung von ungefähr U_b = 0,6 bis 0,8 V erhalten. Für die übrigen Verfahrensschritte können Standardschritte durchgeführt werden, wie sie beispielsweise aus der genannten WO 2004/049452 bekannt sind, auf die hier mit voll inhaltlich Bezug genommen wird.
In den Figuren nicht dargestellt sind Oxidschichten oder allgemein dielektrische Schichten, die auf der Oberfläche des Bauelements zur Isolation der einzelnen stromleitenden Schichten abgeschieden sind und in denen lediglich die entsprechenden Öffnungen zur Herstellung der gewünschten Kontakte vorgesehen sind. So wird auch die Emitterstruktur vorzugsweise in Öffnungen einer Oxidschicht erzeugt, die über der epitaktischen Schicht ES aufgebracht ist. Oberhalb der isolierenden Oxidschicht kann die Emitterstruktur dann mit größerem Querschnitt weiter wachsen, sodass im Querschnitt eine T-förmige Struktur entsteht, wie sie beispielsweise auch in 2 dargestellt ist.
Die Erfindung ist auch nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Erfindung kann prinzipiell auch mit anderen Halbleitermaterialien ausgeführt werden. Die Strukturierung sowohl im Querschnitt als auch in der Fläche kann anders als dargestellt ausgeführt werden. Innerhalb eines Halbleitersubstrats kann auch eine Vielzahl entsprechender Bauelemente hergestellt und miteinander verschaltet werden, wobei ein Array von lichtempfindlichen Bauelementen erhalten wird. Aufgrund des gleichen Herstellungsprozesses können die Bauelemente auch mit Bipolartransistoren auf gemeinsamen Substraten hergestellt und integriert mit diesen verschaltet werden. Auf diese Weise lassen sich Ansteuer- und Logikschaltungen zum Betrieb des Bauelements und zur Verarbeitung der Fotosignale mit integrieren.
Das Bauelement ist zwar auf den Nachweis des blauen Spektrums des sichtbaren Lichts optimiert, ist jedoch auch zum Nachweis von Licht anderer Wellenlänge geeignet. Der Dotierstoff vom ersten Leitfähigkeitstyp ist vorzugsweise p-dotierend. Möglich ist es jedoch auch, die epitaktische Schicht n-dotiert zu erzeugen. In der epitaktischen Schicht kann neben dem Gradienten für den Dotierstoff des ersten Leitfähigkeitstyps auch ein Germaniumgradient mit nach unten zum Halbleitersubstrat hin zunehmendem Germaniumgehalt ausgeführt werden.
Ein als Fotodiode betreibbares Bauelement kann auch als Avalanche-Fotodiode betrieben werden. Dabei wird am ersten und zweiten Kontakt, also an Substrat und epitaktischer Schicht eine BIAS-Spannung angelegt, die so ausreichend hoch bemessen ist, dass sie bei Lichteinfall den ”Lawineneffekt” auslösen kann.
In den Figuren ebenfalls nicht dargestellt sind wahlweise mögliche antireflektierende Beschichtungen, die beispielsweise auch als oberste Schichten auf die dargestellten Aufbauten aufgebracht werden können. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, solche antireflektierenden Schichten unterhalb der Oxidisolierung direkt auf der entsprechenden obersten Halbleiterschicht aufzubringen. Für solche antireflektierenden Schichten können aus gegenüber dem nachzuweisenden Licht transparenten Materialien mit einer Dicke von einem Viertel der in der Schicht ausbreitungsfähigen optischen Wellenlänge eingesetzt werden.
Wird die epitaktische Schicht elektrisch angeschlossen, wie dies beim Betrieb als Diode oder in Einzelfällen beim Betrieb als Fototransistor möglich ist, so kann außerhalb des Lichteinfallsfensters der elektrische Serienwiderstand der epitaktischen Schicht durch nachträgliche Dotierung und insbesondere durch Implantation erhöht werden. Dabei kann zum Schutz der epitaktischen Schicht im Bereich des Lichteinfallsfensters eine Maske verwendet werden, die beim vergleichbaren Bipolartransistorprozess zur Strukturierung des Emitters dient. Mit dieser Maske lässt sich ein Schutzlack oder auch eine Polysiliziumschicht als Implantationsresist bei der genannten Implantation strukturieren.
8 zeigt jeweils rechts dargestellt verschiedene signifikante Verfahrensstufen bei einer vorteilhaften weil kompatiblen Herstellungsvariante des Fototransistor, die mit den dazu passenden parallel durchführbaren Verfahrensstufen bei der Herstellung eines Bipolartransistors (jeweils links dargestellt) vergleichen werden.
8A beginnt nach Herstellung einer dielektrischen Schicht OS über der epitaktischen Schicht ES. Die darunter erzeugten Strukturen sind für beide Bauelementtypen identisch, mit Ausnahme gegebenenfalls anders gewählter 2-dimensionaler Abmessungen oder Strukturierungen, beispielsweise der vergrabenen Schicht. Es wird nun die Emittermaske EFM erzeugt, um die Basis (epitaktische Schicht ES) in einem Emitterfenster freizulegen. Entsprechend der beim Fototransistor verringerten Größe der Emitterstruktur ist dort die Maske in der Mitte geschlossen.
Anschließend wird die dielektrischen Schicht OS weggeätzt und ganzflächig eine Polysiliziumschicht als Emitterschicht EMS aufgebracht. 8B zeigt den Aufbau, nachdem eine weitere Maske EPM (Emitterpolymaske) zur Strukturierung der Emitterschicht EMS aufgebracht wurde.
Nach dem Ätzen des von der Maske EPM unbedeckten Bereichs der Emitterschicht EMS verbleibt die in 8C dargestellte Anordnung. Beim Bipolartransistor verbleibt wie bekannt nur der für die Aufbringung eines Emitterkontakts erforderliche Bauelementbereich. Beim Fototransistor dagegen verbleibt ein weitaus größerer Bereich der Emitterschicht stehen.
In beiden Bauelementtypen wird nun ein Basisimplant I durchgeführt, wobei die von der Emitterpolymaske EPM unbedeckten Bereiche der epitaktischen Schicht ES durch die dielektrische Schicht OS hindurch höher dotiert werden. Beim Bipolartransistor schließt sich diese Dotierung fast unmittelbar an die aktive Basis an, während dies beim Fototransistor erst in größerem Abstand erfolgt. Beim Bipolartransistor ist eine hohe Dotierung und damit niederohmiges Verhalten beim Basisanschluss gewünscht. Beim Fototransistor dagegen wird dies ver mieden, da eine Implantation bzw. Eindiffusion von Dotierstoff in den aktiven Bereich des Fototransistors dort Störstellen erzeugen kann, die zur verstärkten Rekombination von Ladungsträgerpaaren und damit zu einer verminderten Fotosensitivität führen können.
Anschließend wird wie in 8D gezeigt die Maske EPM durch die Basepolymaske BPM ersetzt, mit der die Basis (epitaktische Schicht ES) außerhalb der für die Transistoren benötigten Fläche entfernt werden soll. Beim Fototransistor wird mit dieser Maske zusätzlich noch die Emitterschicht EMS strukturiert. Es wird also ausgehend von der Anordnung nach 8D zunächst eine Oxidätzung durchgeführt, mit der beim Bipolartransistor die Basis (epitaktische Schicht ES) und beim Fototransistor gegebenenfalls darüber befindliches Oxid geätzt wird. Anschließend werden die freiliegenden Bereiche der Emitterschicht EMS (nur beim Fototransistor) sowie beim Bipolartransistor der Basis (epitaktische Schicht ES) entfernt. Es folgt eine weitere Oxidätzung, mit der beim Fototransistor die epitaktische Schicht freigelegt wird. Der Bipolartransistor ist an den neben der Basepolymaske BPM freiliegenden Bereichen durch ausreichend dicke isolierende Schichten IS geschützt, z. B. durch ein Feldoxid.
8E zeigt die so erhaltenen Strukturen nach diesen Strukturierungen. Beim Fototransistor verbleibt direkt neben dem durch die Implantation in 8C höher dotierten Bereich der epitaktischen Schicht (Anschlussgebiet der epitaktischen Schicht) ein nicht benötigter Strukturrest E1 aus dielektrischer Schicht und Emitterschicht, der allein einer Toleranz geschuldet wird, die wegen der Ungenauigkeit beim Ausrichten der Basepolymaske BPM gegen die Emittermaske EFM in beachtet werden muss.
Mit dem gleichen Verfahren wie beim Fototransistor kann auch eine Fotodiode ohne Emitterstrukturen erzeugt werden, wenn in 8A keine Öffnungen in der Emittermaske EFM über der Fotodiode vorgesehen werden. Bei der Basepolymaske BPM werden dann die beiden inneren Maskenstrukturen, die die Emitterstrukturen EM des Fototransistors strukturieren, weggelassen, so dass die Emitterschicht dort vollständig entfernt werden kann.
Der Fototransistor kann vorteilhaft auch bei einem Arbeitspunkt betrieben werden, bei dem ein bestimmter Basisstrom bzw. Kollektorstrom fließt. Dieser kann so bemessen werden, dass ein besonders schnelles Umladen der internen Kapazitäten des Transistors (Emitter/Basis-Kapazität und Basis/Kollektor-Kapazität) möglich ist. Damit kann die Transitgeschwindigkeit des Fototransistors gesteigert werden. Die Ansprech- und Abklingzeiten des Bauelements werden verkürzt, es ist eine schnellere Taktung des Transistors möglich und er kann eine höhere Frequenz gepulster Lichtquanten auflösen, was für den Einsatz für die Informations- und Kommunikationstechnik besonders gut geeignet ist.
Für die Transitfrequenz Ft eines Bipolartransistors und entsprechend auch des Fototransistors gilt im Kleinsignalverhalten Ft = 1/[2π·(τ + KT/q·IC(CEB + CBC))]
Wobei

τ: = Vorwärtstransitzeit
q/KT: = Temperaturspannung
C_EB: = Emitter/Basis-Kapazität
C_BC: = Basis/Kollektor-Kapazität
I_C: = Kollektorstrom.

Ein diesbezüglich optimaler Arbeitspunkt wird erhalten, wenn die Transitfrequenz Ft gemäß obiger Gleichung maximal eingestellt wird. Dies wird mit einem möglichst gering eingestellten Kollektorstrom I_C erreicht.

Claims

Lichtempfindliches Bauelement mit einem Bauelementkörper, umfassend – ein niedrig dotiertes Halbleitersubstrat (SU), – eine auf dem Halbleitersubstrat aufliegende isolierende Schicht (IS), – ein Lichteinfallsfenster (LF) in der isolierenden Schicht, – eine mit Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp dotierte Substratwanne im Halbleitersubstrat im Bereich des Lichteinfallsfensters, – eine zumindest im Lichteinfallsfenster auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnete epitaktische Schicht (ES), die zumindest in einem oberen Schichtbereich mit einem Dotierstoff vom ersten Leitfähigkeitstyp hoch dotiert ist, und – einen Halbleiterübergang (UE) zwischen der epitaktischen Schicht und der Wannendotierung, – wobei die Schichtdicke der hoch dotierten epitaktischen Schicht weniger als 80 nm beträgt.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die epitaktische Schicht (ES) eine Dotierung von einer Flächenladungsdichte von mehr als 6,6·10¹¹ cm^–2 aufweist.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, das einen Verarmungsbereich um den Halbleiterübergang (UE) in einer Dicke von mehr als 50 nm aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem Halbleitersubstrat (SU) und epitaktische Schicht (ES) unabhängig voneinander zumindest einen Halbleiter aus Si, SiGe oder Ge umfassen.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die epitaktische Schicht (ES) aus SiGe besteht, wobei der Germaniumgehalt nach unten zum Halbleitersubstrat (SU) hin zunimmt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem im Halbleitersubstrat (SU) unterhalb der Substratwanne eine mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp hoch dotierte vergrabene Schicht (VS) angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 6, bei dem die Dotierung der vergrabenen hoch dotierten Schicht (VS) streifenförmig oder gitterförmig ausgebildet ist.
Bauelement nach Anspruch 6 oder 7, bei dem außerhalb des unter dem Lichteinfallsfenster (LF) liegenden Bereichs ein zur Oberfläche des Bauelementkörpers reichendes, mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp hoch dotiertes Anschlussgebiet vorgesehen ist, das die vergrabene Schicht (VS) niederohmig mit einem Kontakt auf der Oberfläche verbindet.
Bauelement nach Anspruch 8, rückbezogen auf Anspruch 7, bei dem die streifenförmig ausgebildete Dotierung der vergrabenen Schicht (VS) so ausgerichtet ist, dass durch die Dotierung eine niederohmige Verbindung zum Anschlussgebiet hergestellt ist.
Bauelement nach Anspruch 8 oder 9, – bei dem zwischen dem Halbleitersubstrat (SU) und der epitaktischen Schicht (ES) außerhalb des Lichteinfallsfensters (LF) eine isolierende Schicht angeordnet ist, – bei dem die epitaktische Schicht (ES) außerhalb des Lichteinfallsfensters über der isolierenden Schicht eine höhere Dotierung aufweist als im Bereich des Lichteinfallsfensters, oder dort in direktem Kontakt mit einer hoch dotierten Schicht steht, – bei dem außerhalb des Lichteinfallsfensters ein weiterer elektrischer Kontakt als Anschluss für die epitaktische Schicht vorgesehen ist, – bei dem bei Lichteinfall ein Photostrom zwischen einem ersten Kontakt, der mit dem Halbleitersubstrat in dem hoch dotierten Anschlussgebiet verbundenen ist, und dem weiteren Kontakt gemessen werden kann.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Halbleitersubstrat (SU) eine Grunddotierung vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Dotierung der epitaktischen Schicht einen Gradienten aufweist und nach unten zum Halbleitersubstrat (SU) hin abnimmt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem neben je einem Kontakt an der epitaktischen Schicht und an der Substratwanne oder an einem Anschlussgebiet noch ein Substratkontakt am niedrig dotierten Halbleitersubstrat vorgesehen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem über der epitaktischen Schicht (ES) in einem Randbereich des Lichteinfallsfensters (LF) eine Emitterstruktur (EM) angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 14, bei dem die Emitterstruktur (EM) zentral über dem Lichteinfallsfensters (LF) angeordnet ist oder dem Rand des Lichteinfallsfensters (LF) folgt, ringförmig geschlossen ist und mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp dotiertes Polysilizium umfasst.
Bauelement nach Anspruch 14 oder 15, bei dem an der Emitterstruktur (EM) ein zweiter elektrischer Kontakt vorgesehen ist, bei dem bei Lichteinfall ein Photostrom zwischen einem ersten Kontakt, der mit dem Halbleitersubstrat in einem hoch dotierten Anschlussgebiet verbundenen ist, und dem zweiten Kontakt gemessen werden kann.
Bauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem zwischen der Emitterstruktur (ES) und der Substratwanne oder einer vergrabenen Schicht eine BIAS-Spannung anliegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem zwischen der epitaktischen Schicht (ES) und der Substratwanne oder einer vergrabenen Schicht (VS) eine BIAS-Spannung anliegt.
Bauelement nach Anspruch 18, bei dem zwischen der Substratwanne oder der vergrabenen Schicht (VS) und einem weiteren Kontakt am Substrat eine BIAS-Spannung anliegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die hoch dotierte epitaktische Schicht (ES) eine Schichtdicke von 50 nm und weniger aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem auf der Lichteinfallsseite des Bauelements eine antireflektierende Beschichtung vorgesehen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem der Halbleiterkörper zusammen mit der epitaktischen Schicht eine PIN- oder NIP-Struktur aufweist.
Bauelement nach Anspruch 18, bei dem die Dicke der intrinsischen Schicht einer PIN- oder NIP-Struktur so bemessen ist, dass alle Lichtquanten einer nachzuweisenden Wellenlänge noch innerhalb der intrinsischen Schicht absorbiert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem auf einem gemeinsamen Wafer und parallel das Bauelement und ein Bipolartransistor erzeugt werden, wobei die Maskenschritte so angepasst sind, dass gegenüber der Herstellung des Bipolartransistors allein keine zusätzliche Maskenschritte erforderlich sind.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Bipolartransistor und das Bauelement bis hin zum Erzeugen der epitaktischen Schicht (ES) gleich aufgebaut werden.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, bei dem mit einem gemeinsamen Strukturierungsschritt die Emitterstrukturen für das Bauelement und beim Bipolartransistor die Strukturierung der epitaktischen Schicht außerhalb des Transistorgebiets vorgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem die Maske (EPM) zur Strukturierung des Emitters beim Bipolartransistor und der Emitterstrukturen (EM) des Fototransistors als Implantationsmaske zur Höherdotierung der epitaktischen Schicht (ES) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem im Halbleitersubstrat eine vergrabene Schicht in Form einer streifen- oder gitterförmigen Dotierung erzeugt wird, bei dem im Halbleitersubstrat über der vergrabenen Schicht eine dotierte Substratwanne mit der gleichen streifen- oder gitterförmigen Dotierung erzeugt wird, indem eine Implantation über eine entsprechende Maske durchgeführt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und 18 bis 23 als Fotodiode, wobei an epitaktische Schicht und Substratwanne oder Anschlussgebiet entsprechend dem ersten und zweiten Kontakt eine BIAS-Spannung angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem der Substratkontakt mit dem gleichen Potential wie die epitaktische Schicht verbunden wird.
Verfahren zum Betrieb eines Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und 18 bis 23 als Avalanche-Fotodiode, wobei an epitaktische Schicht und Substrat entsprechend dem ersten und zweiten Kontakt eine BIAS-Spannung angelegt wird, die bei Lichteinfall den Lawineneffekt unterstützt.
Verfahren zum Betrieb eines Bauelementes nach einem der Ansprüche 14 bis 17 als Fototransistor, wobei zwischen Substrat und Emitterstruktur eine BIAS-Spannung angelegt wird.
Verwendung eines Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zum schnellen und empfindlichen Nachweis von kurzwelligem sichtbarem Licht.
Verwendung eines Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 23 in Kombination mit einer blauen Leuchtdiode zum Nachweis deren Lichts und zum Auslesen optisch kodierter Daten.