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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich allgemein auf das Gebiet elektronischer Systeme und Halbleiterbauelemente, und insbesondere auf Photodioden, die in CMOS-Technologie hergestellt werden.
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Eine Photodiode ist eine Halbleiterdiode, die einen pn-Übergang oder eine pin-Struktur aufweist und als Photodetektor fungiert. Ein pn-Übergang wird gebildet, indem Halbleiter vom p-Typ und vom n-Typ in sehr engem Kontakt miteinander kombiniert werden, wobei p-Typ und n-Typ einen ersten und einen zweiten Leitfähigkeitstyp bezeichnen. Eine pin-Struktur wird gebildet, indem eine undotierte intrinsische Halbleiterzone zwischen eine p-Typ-Halbleiterzone und eine n-Typ-Halbleiterzone platziert wird.
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Üblicherweise umfasst ein Photodiodenbildsensor einen Rücksetztransistor und eine von Photodioden gebildete Lichterfassungszone. Jede Photodiode kann z. B. dadurch gebildet werden, dass eine n-dotierte Zone mit einem p-dotierten Körper verbunden wird. Während des Betriebs wird eine Spannung an den Gate-Anschluss des Rücksetztransistors derart angelegt, dass der Rücksetztransistor eingeschaltet wird und ein Kondensator an dem pn-Übergang aufgeladen wird. Wenn dieser Kondensator auf ein bestimmtes Potentialniveau aufgeladen wird, wird der Rücksetztransistor abgeschaltet, so dass die Photodiode in Sperrrichtung vorgespannt wird, was zur Bildung einer Verarmungszone führt. Wenn ein Photon einer ausreichenden Energie auf die Photodiode auftrifft, regt es ein Elektron an und erzeugt dadurch ein mobiles Elektron und ein positiv geladenes Elektronenloch. Falls die Absorption in der Verarmungszone des pn-Übergangs oder eine Diffusionslänge davon entfernt erfolgt, werden diese Träger durch das eingebaute elektrische Feld der Verarmungszone von dem pn-Übergang weggetrieben, wodurch ein Photostrom erzeugt wird. Das heißt, dass die Elektronen in Richtung der n-dotierten Zone wandern, so dass das elektrische Potential in der n-dotierten Zone abfällt. Dagegen bewegen sich die Löcher weg von der Verarmungszone und in Richtung des p-dotierten Körpers.
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Üblicherweise befindet sich der pn-Übergang in einer gewissen Tiefe von einer Halbleiter-Hauptoberfläche, was zu einer gewissen spektralen Selektivität der Photodiodenstruktur führt. Licht mit kurzer Wellenlänge wird stärker gedämpft als Licht mit einer längeren Wellenlänge, wenn es durch die Hauptoberfläche in den Halbleiter eintritt. Deshalb kann eine Photodiode für kurzwelliges Licht empfindlich gemacht werden, wenn die Verarmungszone in einer Tiefe nahe der Halbleiteroberfläche gebildet wird, und andererseits kann eine Photodiodenstruktur für längerwelliges Licht empfindlich gemacht werden, wenn die Verarmungszone in einer größeren Tiefe von der Halbleiter-Hauptoberfläche angeordnet ist.
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Aus der
US 4 148 051 A ist ein Bildelement bekannt, das in einer Oberfläche eines Siliziumsubstrats vom p-Typ gebildeten n-Bereich aufweist, in dem zumindest ein Fenster gebildet ist, so dass Abschnitte des n-Bereichs lateral voneinander beabstandet sind. Aus der
DE 3426226 A1 ist ein Fotoelement bekannt, bei dem in einer Oberfläche eines Substrats eines ersten Leitfähigkeitstyps lateral voneinander beabstandet eine Mehrzahl von Bereichen eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet sind. Strahlungsdetektoren mit vergleichbarem Aufbau sind aus der
DD 102012 A1 und der
DD 101786 B3 bekannt.
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Es wäre wünschenswert, eine Photodiodenstruktur zu haben, die bei typischen CMOS-Prozessschritten hergestellt ist und die für Licht sowohl kurzer als auch längerer Wellenlängen empfindlich ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Photodiodenstrukturen mit verbesserter Spektralantwort, ein Halbleiterbauelement diese aufweisend sowie Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch Photodiodenstrukturen gemäß Anspruch 1 oder 21, ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 14 oder durch Verfahren gemäß Anspruch 23 oder 24 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liefert eine Photodiodenstruktur, die folgende Merkmale aufweist: einen Halbleiter eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Halbleiter eine Hauptoberfläche aufweist, eine in dem Halbleiter an der Hauptoberfläche desselben gebildete erste Wanne, wobei die erste Wanne einen zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, eine in dem Halbleiter an der Hauptoberfläche desselben seitlich außerhalb der ersten Wanne gebildete zweite Wanne, wobei die zweite Wanne den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, einen ersten Anschluss, der die erste Wanne und die zweite Wanne elektrisch verbindet, einen zweiten Anschluss, der den Halbleiter verbindet, derart, dass eine Verarmungszone einer lateral variierenden Entfernung von der Hauptoberfläche aus einem Anlegen einer Sperrspannung an den ersten und den zweiten Anschluss resultiert, und eine Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps, die eine höhere Dotierungskonzentration aufweist als die erste und die zweite Wanne, wobei die Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps in dem Halbleiter lateral zwischen der ersten und der zweiten Wanne gebildet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liefert ein Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: eine Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die Halbleiterschicht eine Hauptoberfläche aufweist, eine in der Halbleiterschicht gebildete Photodiodenstruktur, wobei die Photodiodenstruktur eine Mehrzahl von ersten Wannen aufweist, die in der Halbleiterschicht an der Hauptoberfläche derselben gebildet sind, wobei die ersten Wannen einen zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen, und Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps eine höhere Dotierungskonzentration aufweisen als die ersten Wannen, wobei die Zonen in der Halbleiterschicht an der Hauptoberfläche derselben zwischen den ersten Wannen gebildet sind, und eine integrierte Schaltung, die in der Halbleiterschicht lateral außerhalb der Photodiodenstruktur gebildet ist, wobei die integrierte Schaltung Transistoren umfasst, die Wannen des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, die in denselben Prozessschritten wie die ersten Wannen auf der Halbleiterschicht gebildet werden.
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Ein wieder anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren zum Herstellen einer Photodiodenstruktur in einem Prozessablauf gemäß Materialien, Abmessungen und Prozessschritten der CMOS-Technologie, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Halbleiters eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Halbleiter eine Hauptoberfläche aufweist, Bilden einer ersten Wanne in dem Halbleiter an der Hauptoberfläche desselben, wobei die erste Wanne einen zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, Bilden einer Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps, die eine höhere Dotierungskonzentration aufweist als die erste Wanne, wobei die Zone in dem Halbleiter an der Hauptoberfläche desselben lateral außerhalb der ersten Wanne gebildet wird, und Verbinden eines ersten Anschlusses mit der ersten Wanne und der Zone, und Verbinden eines zweiten Anschlusses mit dem Halbleiter, derart, dass eine Verarmungszone einer lateral variierenden Entfernung von der Hauptoberfläche aus einem Anlegen einer Sperrspannung an den ersten und den zweiten Anschluss resultiert.
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Ein wieder anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements in einem Prozessablauf gemäß Materialien, Abmessungen und Prozessschritten der CMOS-Technologie, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bilden einer Photodiodenstruktur in einer Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die Halbleiterschicht eine Hauptoberfläche aufweist, wobei die Photodiodenstruktur eine Mehrzahl von ersten Wannen aufweist, die in der Halbleiterschicht an der Hauptoberfläche derselben gebildet sind, wobei die ersten Wannen einen zu dem ersten Leitfähigkeitstyps entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen, und wobei Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps eine höhere Dotierungskonzentration aufweisen als die ersten Wannen, wobei die Zonen in der Halbleiterschicht an der Hauptoberfläche derselben zwischen den ersten Wannen gebildet sind, und Bilden einer integrierten Schaltung in der Halbleiterschicht lateral außerhalb der Photodiodenstruktur, wobei die integrierte Schaltung Transistoren umfasst, die zweite Wannen des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei die Schritte des Bildens der Photodiodenstruktur und der integrierten Schaltung beide einen gemeinsamen Dotierungsschritt für die ersten und zweiten Wannen umfassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt einer typischen Photodiode in CMOS-Technologie;
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2 einen schematischen Querschnitt einer Photodiodenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Draufsicht auf die Photodiodenstruktur der 2;
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4 einen schematischen Querschnitt einer Photodiodenstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 einen schematischen Querschnitt einer Photodiodenstruktur eines wieder anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
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6 einen schematischen Querschnitt eines wieder anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
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7 eine wellenlängenabhängige Empfindlichkeit einer typischen Photodiodenstruktur und einer Photodiodenstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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Bezüglich der folgenden Beschreibung ist zu beachten, dass gleiche oder gleich arbeitende Funktionselemente dieselben Bezugszeichen aufweisen und dass somit die Beschreibungen jener Funktionselemente in den im Folgenden veranschaulichten verschiedenen Ausführungsbeispiele austauschbar sind.
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Bevor Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 2 bis 7 beschrieben werden, wird unter Bezugnahme auf 1 zuerst auf Unzulänglichkeiten der bekannten Technologie eingegangen.
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1 zeigt einen Querschnitt einer in CMOS-Technologie hergestellten Photodiodenstruktur. Die allgemein mit 100 bezeichnete Photodiodenstruktur verwendet ein Siliziumsubstrat 102 eines ersten Leitfähigkeitstyps. Im Folgenden ist der erste Leitfähigkeitstyp vom p-Typ, obwohl er auch n-Typ sein könnte. Eine isolierende Schicht 103 einer Flachgrabenisolation (STI – shallow trench isolation) schützt die Hauptoberfläche des p-Typ-Substrats 102. In das p-Typ-Substrat 102 wurde eine p-Wanne 104 hineingearbeitet, die eine Wanne 105 eines zweiten Leitfähigkeitstyps umgibt, wobei der zweite Leitfähigkeitstyp vom n-Typ ist. Die Übergänge zwischen der p-Wanne 104 und der n-Wanne 105 schneiden die Hauptoberfläche, die durch die isolierende Schicht 103 geschützt ist, entlang einer Linie 106. Eine stark n-dotierte Zone 107, die eine höhere Dotierungskonzentration aufweist als die n-Wanne 105, ermöglicht einen elektrischen Kontakt mit der n-Wanne 105.
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Wenn an die Photodiodenstruktur 100 eine elektrische Sperrvorspannung angelegt wird, werden an den pn-Übergängen Verarmungszonen gebildet. In 1 ist eine dieser Verarmungszonen 108 schematisch an dem Übergang zwischen n-Wanne und p-Substrat angegeben. Wie zuvor beschrieben wurde, erzeugt einfallendes Licht Träger hauptsächlich in einer Verarmungszone des pn-Übergangs einer Photodiode. Diese Träger liegen in Form von Elektronenlochpaaren vor, die auf den Einfluss des elektrischen Feldes in der Verarmungszone reagieren. Erzeugte Elektronen werden in die negative Richtung des elektrischen Feldes getrieben, die Löcher in der entgegengesetzten Richtung. Für ein gegebenes einfallendes Licht (Wellenlänge, Amplitude) gilt, dass die Photodiode umso mehr Träger sammeln kann und dass die spektrale Empfindlichkeit der Photodiode somit umso besser ist, je breiter die Verarmungszone ist.
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1 gibt an, dass ein beträchtlicher Teil der Verarmungszone 108 in einer vordefinierten Tiefe unterhalb der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 102 angeordnet ist. Dies führt zu einer spektralen Selektivität der Halbleiterstruktur 100, da lediglich Licht einer vordefinierten Wellenlänge, die der Tiefe der Verarmungszone 108 entspricht, Letztere erreicht.
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Um im Vergleich zu herkömmlichen Photodiodenstrukturen, wie sie in 1 gezeigt sind, eine bessere Spektralantwort zu erhalten, muss die Verarmungszone 108 beispielsweise in einer Richtung der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 102 vertikal erweitert werden. Dies kann mit Photodiodenstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erreicht werden, die im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 bis 7 beschrieben werden.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer monolithischen Photodiodenstruktur 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Photodiodenstruktur 200 umfasst einen Halbleiter oder ein Halbleitersubstrat 102 des ersten Leitfähigkeitstyps (p-Typs), wobei der Halbleiter 102 eine Hauptoberfläche aufweist, die durch eine isolierende Schicht 103 geschützt ist. Erste Wannen 105 werden in dem Halbleiter 102 an der Hauptoberfläche desselben gebildet, wobei die ersten Wannen 105 vom zweiten Leitfähigkeitstyp (n-Typ) sind, der zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist. Ferner umfasst die Photodiodenstruktur 200 Zonen 207 des zweiten Leitfähigkeitstyps, die eine höhere Dotierungskonzentration aufweisen als die ersten Wannen 105, die auch als n-Wannen bezeichnet werden, wobei die Zonen 207 in dem Halbleiter 102 an der Hauptoberfläche desselben lateral außerhalb der n-Wannen 105 gebildet sind.
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Jede der n-Wannen 105 umfasst eine Teilzone 107 mit einer höheren Dotierungskonzentration als die n-Wannen 105, wobei die Teilzonen 107 mit den n-Wannen 105 an der Hauptoberfläche des Halbleiters 102 gebildet sind. Gemäß dem in 2 angegebenen Beispiel sind die Teilzonen 107 stark n-dotierte Zonen, um einen elektrischen Kontakt mit den n-Wannen 105 zu ermöglichen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung befinden sich die stark n-dotierten Zonen 207 zwischen jeweils zwei benachbarten n-Wannen 105 oder sind von denselben umgeben.
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Gemäß Ausführungsbeispielen sind die stark n-dotierten Teilzonen 107, 207 mit einem (nicht gezeigten) ersten Anschluss elektrisch verbunden, und das Halbleitersubstrat 102 ist mit einem (nicht gezeigten) zweiten Anschluss elektrisch verbunden. Wenn eine elektrische Sperrvorspannung über die zwei Anschlüsse an die Photodiodenstruktur 200 angelegt wird, werden an den pn-Übergängen zwischen den n-Wannen 105 und dem Substrat 102 und zwischen den stark n-dotierten Zonen 207 und dem Substrat 102 Verarmungszonen gebildet. Auf Grund einer variierenden Tiefe der n-Wannen 105 und der stark n-dotierten Zonen 207 weist die Verarmungszone 108 eine lateral variierende Entfernung von der Hauptoberfläche auf.
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Zum besseren Verständnis der elektrischen Kontaktierung der stark n-dotierten Zonen 107, 207 in dem p-Substrat 102 zeigt 3 eine Draufsicht auf eine Photodiodenstruktur 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In 3 kann eine Draufsicht auf zwei benachbarte n-Wannen 105 mit stark n-dotierten Teilzonen 107 zum Kontaktieren eines ersten Anschlusses 302 identifiziert werden. Die zwei benachbarten n-Wannen 105 umgeben eine stark n-dotierte Zone 207, die ebenfalls mit dem ersten Anschluss 302 elektrisch verbunden ist. Das Halbleitersubstrat 102 ist an der Unterseite der Struktur 300 mit einem zweiten Anschluss verbunden, wobei der zweite Anschluss in 3 nicht gezeigt ist.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 2 kann die Photodiodenstruktur 200, die die n-Wannen 105 und die stark n-dotierten Zonen 207 aufweist, durch p-Wannen 104 von einer lateral benachbarten Schaltungsanordnung, beispielsweise einer Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, getrennt sein. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird die Photodiodenstruktur 200 in einem Prozessablauf gemäß Materialien, Abmessungen und Prozessschritten der CMOS-Technologie hergestellt.
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Somit werden die n-Wannen 105 anhand eines standardmäßigen CMOS-Prozesses geliefert. Die n-Wannen 105 sind über die stark n-dotierten Teilzonen 107, die bei einem standardmäßigen CMOS-Prozess z. B. Drain- oder Source-Kontakte für MOS-Transistoren bilden, elektrisch verbunden. Wie aus 2 hervorgeht, berühren oder überlappen die n-Wannen 105 einander nicht. In dem Zwischenraum zwischen den n-Wannen 105 sind die stark n-dotierten Zonen 207 angeordnet. Bei einem 0,25 Mikrometer(μm)-CMOS-Prozess erstrecken sich die n-Wannen 105 vertikal z. B. etwa 1,1 Mikrometer unterhalb der Hautoberfläche des Halbleiters 102. Bei anderen Ausführungsbeispielen erstrecken sich die n-Wannen 105 vertikal von der Hauptoberfläche bis in eine Tiefe zwischen etwa 0,1 Mikrometern und etwa 2,0 Mikrometern. Sogar Tiefen außerhalb dieser Bandbreite sind möglich. Die stark n-dotierten Zonen 107, 207 erstrecken sich jeweils z. B. etwa 0,2 Mikrometer unterhalb der Hauptoberfläche. Bei anderen Ausführungsbeispielen erstrecken sich die n-dotierten Zonen 107, 207 vertikal von der Hauptoberfläche bis in eine Tiefe zwischen 0,05 Mikrometern und 0,5 Mikrometern. Andere vertikale Erstreckungen sind selbstverständlich möglich und von der verwendeten Technologie abhängig. Eine Beziehung zwischen den Tiefen der n-Wannen 105 und der n-dotierten Zonen 107, 207 liegt im Bereich zwischen etwa 3 und etwa 8, d. h. die Tiefe der n-Wannen 105 beträgt das etwa 3- bis 8-fache der Tiefe der n-dotierten Zonen 107, 207. Die p-Wannen 104 bilden Grenzen der Photodiodenstruktur 200 in Richtung einer lateral benachbarten Schaltungsanordnung, die z. B. MOS-Transistoren mit n-Wannen 105 und Teilzonen 107 umfasst.
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Eine (in 4 gezeigte) flache Oxidschicht 103 ist über die n-Wannen 105 und die stark n-dotierten Zonen 107, 207 auf der Hauptoberfläche des Halbleiters platziert. Auf die Isolierungsschicht 103 kann gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine optionale spezifische optische Schicht 209 platziert werden. Eine derartige optische Schicht 209 könnte beispielsweise ein Farbfilter sein, das lediglich für vorbestimmte Wellenlängen transparent ist, oder sie könnte eine Schicht zur Vermeidung von Verlusten sein, die auf einen ungünstigen Reflexionsfaktor zurückzuführen sind.
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Die Verarmungszone 108 reicht von den stark n-dotierten Zonen 207, die an der Hauptoberfläche des Halbleiters 102 gebildet sind (Zone A), bis zu einer Zone B unterhalb der n-Wannen 105, die im Vergleich zu den stark n-dotierten Zonen 107 tiefer unter die Hauptoberfläche reichen. Die Breite der Verarmungszone 108 ist von der Sperrspannung der Photodiodenstruktur abhängig. Jedoch weist sie qualitativ immer eine Ausdehnung bzw. Erstreckung auf, wie sie in 2 angegeben ist.
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Einfallendes Licht 211 (in 2 gezeigt), das unterschiedliche Wellenlängen aufweist, wird gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durch die zuvor erwähnte optische Filterschicht 209 gefiltert. Die optische Filterschicht 209 ist jedoch nicht wesentlich für die Ausdehnung der spektralen Empfindlichkeit der Photodiodenstruktur 200. Die vertikale Erstreckung der Isolierungsschicht 103 ist im Vergleich zu der Wellenlänge des einfallenden Lichts 211 üblicherweise sehr gering. Aus diesem Grund bewirkt die Isolierungsschicht 103 keinen beträchtlichen optischen Effekt.
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Je nach der Wellenlänge breitet sich das einfallende Licht 211 mehr oder weniger in die Photodiodenstruktur 200 hinein aus. Auf Grund physikalischer Eigenschaften der Photodiodenstruktur 200 weisen kurze Wellenlängen (z. B. ultraviolett bis blau in einer Wellenlängenzone von etwa 300 Nanometern bis etwa 350 Nanometern) lediglich eine sehr geringe Eindringtiefe auf. Licht mit längeren Wellenlängen (z. B. rot bis infrarot in einer Wellenlängenzone von etwa 600 Nanometern bis etwa 800 Nanometern) weist eine größere Eindringtiefe in die Photodiodenstruktur 200 auf.
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Falls die Photodiodenstruktur 200 durch eine auf einer p-dotierten Schicht gebildete lateral kontinuierliche n-dotierte Schicht gebildet wurde, wurde die Verarmungszone 108 eine geringere vertikale Erstreckung aufweisen, wie in 1 gezeigt wurde. In diesem Fall würden lediglich Elektronenlochpaare, die anhand eines stark begrenzten Wellenlängenbereichs erzeugt wurden, zu dem Photostrom beitragen, da die Verarmungszone 108 in einer vorbestimmten Tiefe von der Hauptoberfläche liegen würde und auf Grund der wellenlängenabhängigen Eindringtiefe des einfallenden Lichts 211 lediglich durch eine begrenzte Wellenlängenzone erreicht würde.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind jedoch so gebaut, dass sich die Verarmungszone 108 vertikal von der Hauptoberfläche (Zone A) zu einer Zone B unterhalb der n-Wannen 105 erstreckt. Dies gewährleistet, dass einfallendes Licht 211 mit kurzer Wellenlänge, das Elektronenlochpaare in einer geringen Eindringtiefe von der Hauptoberfläche erzeugt, sowie einfallendes Licht 211 mit langer Wellenlänge, das sich bis in eine Tiefe unterhalb der n-Wannen 105 ausbreitet, zu dem Photostrom beitragen.
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Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die stark n-dotierten Zonen 207 in dem p-Typ-Substrat 102 gebildet.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung könnten die n-Wannen 105 und die stark n-dotierten Zonen 207 auch in einer Epitaxialschicht 402 vom p-Typ, die auf dem Halbleitersubstrat 102 vom p-Typ gebildet ist, gebildet sein, wie in 4 gezeigt ist.
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Wiederum ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 5 gezeigt.
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Die Funktionalität der Halbleiterstruktur 500 ist im Grunde dieselbe wie die Funktionalität der Halbleiterstruktur der 2. Die vertikale Erstreckung der Verarmungszone 108 bis zu der Hauptoberfläche des p-Substrats 102 wird durch eine lateral breitere, stark n-dotierte Zone 507 beendet, was im Vergleich zu dem unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu einer verringerten spektralen Empfindlichkeit für kürzere Wellenlängen führt. Im Gegensatz dazu ist das spektrale Empfindlichkeitsmaximum geringfügig zu höheren Wellenlängen hin verschoben.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 6 gezeigt, bei der das p-Substrat 102 durch eine auf dem p-Substrat 102 gebildete Epitaxialschicht 402 ersetzt ist.
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Wie aus den zuvor beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hervorgeht, kann die laterale Breite der stark n-dotierten Zonen 207 in einer Bandbreite zwischen 0 und der Entfernung zwischen zwei benachbarten n-Wannen 105 variieren. Die Entfernungen zwischen den n-Wannen 105 und die Entfernungen der n-Wannen 105 und der stark n-dotierten Zonen 207 hängen von den Dotierungskonzentrationen und der Sperrspannung über der Photodiodenstruktur ab. Üblicherweise sind die Zonen 107, 207 stark dotiert, wobei die n-Wannen 105 eine geringere Dotierungskonzentration aufweisen. Das p-Typ-Substrat 102 weist eine noch geringere Dotierungskonzentration auf. Folglich erstreckt sich die Verarmungszone 108 stärker in das p-Substrat 102 hinein. Die Entfernung zwischen zwei benachbarten n-Wannen 105 kann derart bemessen sein, dass die Verarmungszonen einander bei einer gegebenen Sperrspannung an der Hauptoberfläche berühren.
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Für einen 0,25 μm-CMOS-Prozess gelten die folgenden Beziehungen zwischen der Sperrspannung über der Photodiodenstruktur und den Entfernungen zwischen den n-Wannen 105. Für eine Sperrspannung von etwa 0 V kann eine Entfernung von etwa 0,6 μm zwischen den n-Wannen 105 gewählt werden, oder umgekehrt kann für eine Entfernung von etwa 0,6 μm zwischen den n-Wannen 105 eine Sperrspannung von etwa 0 V gewählt werden. Für eine Sperrspannung von etwa 0,5 V kann eine Entfernung von etwa 0,8 μm zwischen den n-Wannen 105 gewählt werden. Für eine Sperrspannung von etwa 1,0 V kann eine Entfernung von etwa 0,9 μm zwischen den n-Wannen 105 gewählt werden. Für eine Sperrspannung von etwa 1,5 V kann eine Entfernung von etwa 1,0 μm zwischen den n-Wannen 105 gewählt werden. Für eine Sperrspannung von etwa 2,0 V kann eine Entfernung von etwa 1,2 μm zwischen den n-Wannen 105 gewählt werden. Für eine Sperrspannung von etwa 2,5 V kann eine Entfernung von etwa 1,3 μm zwischen den n-Wannen 105 gewählt werden.
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Die erweiterte spektrale Empfindlichkeit von Photodiodenstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist in 7 graphisch dargestellt.
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In 7 stellt die Gerade qλ/hc die theoretische Grenze der optischen Empfindlichkeit S(λ) dar, wobei q die Elementarladung darstellt, λ die Wellenlänge, h die Planck-Konstante darstellt und c die Lichtgeschwindigkeit darstellt. S1(λ) bezeichnet die spektrale Empfindlichkeit einer herkömmlichen Photodiodenstruktur mit einer lateral kontinuierlichen n-Schicht, die für lediglich eine ziemlich kleine Wellenlängenzone spektral empfindlich ist, wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist. Die Kurve 700 zeigt die spektrale Empfindlichkeit einer Photodiodenstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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Da Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Verarmungszone 108 liefern, die sich von der Hauptoberfläche zu einer Zone unterhalb der n-Wannen 105 erstreckt, ergeben sich zusätzliche spektrale Beiträge zu dem Photostrom. Beiträge der Zone A der Verarmungszone 108 beziehen sich auf kurze Wellenlängen, da die Zone A der Verarmungszone 108 dicht unter der Hauptoberfläche platziert ist. Beiträge der Zone B beziehen sich auf längere Wellenlängen, da die Zone B relativ tief unter der Hauptoberfläche des Halbleiters unter den n-Wannen 105 platziert ist. Somit liefern Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu Photodiodenstrukturen mit vertikal kontinuierlichen n-dotierten Schichten eine spektral erweiterte Empfindlichkeit.
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Obwohl die n-dotierten Zonen 207 bei den obigen Ausführungsbeispielen als in dem Halbleiter an der Hauptoberfläche desselben gebildet gezeigt wurden, sind auch andere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise können die Zonen 207 in den Halbleiter vergraben sein, z. B. über eine Struktur, die die vergrabene Zone mit einem gemeinsamen Anschluss verbindet, der die vergrabene Zone sowie Wannen 105 miteinander verbindet.
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Es ist zu beachten, dass es viele alternative Möglichkeiten gibt, die Verfahren und Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Beispielsweise könnten n-Wannen durch p-Wannen ersetzt werden, stark n-dotierte Zonen könnten durch stark p-dotierte Zonen ersetzt werden, Epitaxialschichten vom p-Typ könnten durch Epitaxialschichten vom n-Typ ersetzt werden, und p-Substrate könnten durch n-Substrate ersetzt werden.
