DE102008060484B4

DE102008060484B4 - Halbleitersensor

Info

Publication number: DE102008060484B4
Application number: DE102008060484A
Authority: DE
Inventors: Ralph-Rainer Dr. Jurgeit; Hartmut Lindenthal; Karl Nutz
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-12-23
Anticipated expiration: 2028-12-06
Also published as: DE102008060484A1

Abstract

Halbleitersensor (20) zur Bestimmung der Position eines auftreffenden Lichtstrahles, aufweisend eine erste Empfangseinheit (22) mit
– einer als Empfangsfläche ausgebildeten ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps angeordnet auf einer zweiten darunterliegenden Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps, wobei die erste Halbleiterschicht eine höhere Leitfähigkeit als zweite Halbleiterschicht aufweist,
– einem ersten Streifen (24) des zweiten Leitungstyps, der die erste Halbleiterschicht in einen ersten Empfangsbereich (26) und einen zweiten Empfangsbereich (28) unterteilt, so dass auf der Empfangsfläche sich erste Empfangsbereiche (26) und zweite Empfangsbereiche (28) abwechseln,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Halbleitersensor (20), wenigstens eine weitere Empfangseinheit (32, 34) aufweist, die ohne Begrenzung mit der ersten Empfangseinheit (22) verbunden ist, wobei zischen der ersten Empfangseinheit (22) und zweiten Empfangseinheit (34) ein Übergangsbereich nur aus dem ersten Empfangsbereich (26) ausgebildet ist oder zwischen der ersten Empfangseinheit (22) und der dritten Empfangseinheit (32) ein Übergangsbereich nur aus dem zweiten Empfangsbereich (28) ausgebildet ist...

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleitersensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Sensor ist aus der JP 63-026504 AA bekannt. Bei dem offenbarten Sensor, der als Halbleitersensor mit einer p-leitenden Empfangsfläche ausgebildet ist, wird die Empfangsfläche durch einen Streifen mit vorzugsweise geringer Leitfähigkeit in einen ersten keilförmigen Empfangsbereich und einen zweiten keilförmigen Empfangsbereich unterteilt. Die einzelnen Empfangsbereiche sind jeweils an den Seiten angeschlossen. Unterhalb der Empfangsfläche ist eine intrinsische Substratschicht ausgebildet, an deren Unterseite eine hochdotierte n-leitende Schicht angeordnet ist. Damit wird in einer Richtung senkrecht zu der Empfangsfläche eine bekannte PIN Diodenstruktur ausgebildet. Im Betrieb des Sensors wird zwischen der p-leitenden Empfangsfläche und der n-leitenden Schicht eine Spannung angelegt. Fällt Licht auf die Empfangsfläche des Sensors, wird ein Photostrom erzeugt, der innerhalb der p-leitenden und n-leitenden Schichten zu den Elektroden, d. h. Anoden und Katoden fließt. Aus der Aufteilung des Stromes zwischen den beiden p-Elektroden (Anoden) und bekannten Geometriedaten der p-leitenden und n-leitenden Halbleiterschichten lässt sich die Position des einfallenden Lichtstrahls bestimmen.
Aus der DE 10 2007 005 629 A1 , der US 5 567 976 A , der US 4 976 538 und der DE 32 11 257 A1 sind weitere gattungsbildende Positionssensoren bekannt.
Nachteilig ist, dass ein Sensor mit größerer Breite zwar einem größeren Ortsmessbereich bzw. Empfangsfläche aufweist, jedoch sich die Empfindlichkeit des Sensors insbesondere aufgrund des Rauschens verringert. Weiterhin sinkt die minimale Ortsauflösung des Sensors mit zunehmender Breite der Empfangsfläche.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Halbleitersensor zur Verfügung zu stellen, der Nachteile des Standes der Technik verringert.
Die Aufgabe wird durch einen Halbleitersensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird ein Halbleitersensor zur Bestimmung der Position eines auftreffenden, Lichtstrahles bereitgestellt, aufweisend eine erste Empfangseinheit mit einer als Empfangsfläche ausgebildeten ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps angeordnet auf einer als Substratschicht ausgebildeten zweiten Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps, wobei die erste Halbleiterschicht eine höhere Leitfähigkeit als die Substratschicht aufweist, und mit einem ersten Streifen, des zweiten Leitungstyps, der die erste Halbleiterschicht in einen ersten Empfangsbereich und einen zweiten Empfangsbereich unterteilt, so dass auf der Empfangsfläche sich erste Empfangsbereiche und zweite Empfangsbereiche abwechseln, und der Halbleitersensor wenigstens eine zweite Empfangseinheit aufweist, die ohne Begrenzung mit der ersten Empfangseinheit verbunden ist.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Halbleitersensors gemäß des vorliegenden modularen Aufbaus ist es, dass sich die Empfangsfläche wesentlich vergrößern lässt, ohne dass zwischen den Anschlüssen große Abstände entstehen und demgemäß die Empfindlichkeit der einzelnen Empfangsbereiche erniedrigt wird. Außerdem können innerhalb des erfindungsgemäßen Halbleitersensors aus mehreren Empfangsbereichen die mit einem Photostrom beaufschlagten Empfangsbereiche ausgewählt werden, sodass die für eine Signalauswertung wirksame Empfangsfläche trotz großer Gesamtempfangsfläche klein bleibt. Hierbei ist es vorteilhaft, die einzelnen Empfangsbereiche von der Oberseite durch auf den Empfangsbereichen angeordnete Leitbahnen elektrisch anzuschließen. Um nur ausgewählte Empfangsbereiche elektrisch anzuschließen, wird die Leiterbahn bereichsweise mit einer isolierenden Schicht unterlegt. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist es vorteilhaft, die Leiterbahnen unterhalb der einzelnen Empfangsbereiche, vorzugsweise mittels Grabenstrukturen in der Substratschicht auszubilden. Hierdurch wird verhindert, dass ein Teil der Empfangsbereiche durch die an der Oberfläche verlaufenden Leiterbahnen abgeschattet werden. Sowohl bei einer oberflächlichen als auch einer vergra benen Leiterbahnausführung lassen sich die Empfangsbereiche an beliebigen Stellen elektrisch anschließen.
Gemäß einer Weiterbildung ist es vorteilhaft, wenn die Leitfähigkeit der Streifengebiete wenigstens am Rand des Streifens kleiner ist als die Leitfähigkeit der ersten Halbleiterschicht oder vorzugsweise die gleiche Leitfähigkeit wie die unter der ersten Halbleiterschicht liegende Substratschicht aufweist. Sofern die gesamten Streifengebiete die gleiche Leitfähigkeit wie die Substratschicht aufweisen, lassen sich die Streifengebiete bei der Herstellung des Halbleitersensors auf besonders einfache und kostengünstige Weise mittels Verwendung einer Maskentechnik vor dem Einbringen einer Dotierung zur Ausbildung leitenden ersten Halbleiterschicht schützen.
Gemäß einer Weiterbildung ist es vorteilhaft, wenn die Leitfähigkeit des Streifens von dem Streifenrand zu der Mitte des Streifens zunimmt, um einen Felddurchgriff zwischen zwei durch einen Streifen getrennte und damit benachbarte Empfangsbereiche zu unterdrücken und die Durchbruchspannung zu erhöhen.
In einer anderen Weiterbildung sind die ersten Empfangsbereiche und die zweiten Empfangsbereiche im Wesentlichen keilförmig ausgebildet und demgemäß weist der die beiden Empfangsbereiche separierende Streifen eine mäanderförmige Struktur auf.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste Empfangseinheit derart mit einer zweiten Empfangseinheit verbunden, dass die ersten Empfangsbereiche der ersten Empfangseinheit jeweils ohne Begrenzung in die ersten Empfangsbereiche der zweiten Empfangseinheit übergehen. Auch ist es vorteilhaft, wenn die erste Empfangseinheit derart mit einer dritten Empfangseinheit verbunden ist, dass die zweiten Empfangsbereiche der ersten Empfangseinheit jeweils ohne Begrenzung in die zweiten Empfangsbereiche der dritten Empfangseinheit übergehen. Hierdurch ist möglich, einen Halbleitersensor bereitzustellen, der eine Vielzahl von verbundenen Empfangseinheiten aufweist und sich kostengünstig herstellen lässt. Ein derartiger Halbleitersensor weist neben einer hohen Ortsauflösung auch eine hohe Empfindlichkeit auf.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die ersten Empfangsbereiche und die zweiten Empfangsbereiche mittels Kontakten an Leiterbahnen, die auf der Oberfläche der Empfangsfläche verlaufen, oberseitig möglichst an mehreren Stellen anzuschließen, um den Widerstand zwischen dem äußeren Anschluss der Oberseite der Empfangsbereiche und den Positionen innerhalb der Empfangsbereiche möglichst gering zu halten. Hierdurch lässt sich die Ansprechzeit des Sensors verringern. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Kontakte in einem Übergangsbereich zwischen zwei aneinandergrenzenden Empfangseinheiten anzuordnen. Gemäß einer Weiterbildung weisen hierbei die Empfangsbereiche wenigstens zwei Kontakte, vorzugsweise eine Vielzahl von Kontakten auf.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen im Einzelnen, die
1 eine Draufsicht auf einen Halbleitersensor gemäß dem Stand der Technik,
2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Halbleitersensor,
3 einen Querschnitt entlang einer Linie III des erfindungsgemäßen Halbleitersensors der 2.
Die 1 zeigt einen Halbleitersensor 10 gemäß dem Stand der Technik, aufweisend eine erste Anode 12 und eine zweite Anode 13 für den elektrischen Anschluss einer p-dotierten Halbleiterschicht. Anodenseitig liegen beide Elektroden auf gleichem Potential gegenüber der auf der Rückseite des Halbleitersensors (nicht abgebildet) angeordneten Kathode. Die im Allgemeinen hochdotierte p-Halbleiterschicht dient als Empfangsfläche für einen auftreffenden Lichtstrahl und ist mittels eines mäanderförmigen Streifens 14 in einen ersten keilförmigen Bereich 15 und einen zweiten keilförmigen Bereich 16 unterteilt.
In der 2 ist ein Halbleitersensor 20 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, aufweisend eine erste Empfangseinheit 22 mit einer als Empfangsfläche ausgebildeten ersten Halbleiterschicht, die vorzugsweise p-dotiert ist und eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Die erste Halbleiterschicht ist auf einer zweiten darunterliegenden Halbleiterschicht (nicht dargestellt), die vorzugsweise als n-Substratschicht mit einer niedrigen Leitfähigkeit ausgeführt ist, angeordnet. Die erste Halbleiterschicht ist mittels eines ersten Streifens 24 in einen ersten Empfangsbereich 26 und einen zweiten Empfangsbereich 28 unterteilt. Der erste Streifen 24 weist vorzugsweise an seinem Rand eine wesentlich geringere Leitfähigkeit als die angrenzenden Empfangsbereiche 26, 28 und zu seiner Mitte eine stark zunehmende Leitfähigkeit auf. Des Weiteren weisen die Empfangsbereiche 26, 28 eine keilförmige Form auf, wobei die einzelnen Keile der Empfangsbereiche 26, 28 derart ineinandergreifen, dass sich auf der Empfangsfläche erste Empfangsbereiche 26 und zweite Empfangsbereiche 28 abwechseln. Mit der ersten Empfangseinheit 22 ist eine zweite Empfangseinheit 34 und eine dritte Empfangseinheit 32 jeweils ohne Abgrenzung verbunden, sodass sich der erste Empfangsbereich 26 der ersten Empfangseinheit 22 in die zweite Empfangseinheit 34 ohne Abgrenzung erstreckt und entsprechend der zweite Empfangsbereich 28 sich ohne Abgrenzung in die dritte Empfangseinheit 32 erstreckt.
Wie dargestellt, weist die zweite Empfangseinheit 34 und dritte Empfangseinheit 32 den entsprechenden Aufbau wie die erste Empfangseinheit 22 auf. Demgemäß wird sowohl in der zweiten Empfangseinheit 34 als auch in der dritten Empfangseinheit 32 mittels eines zweiten Streifens 24' bzw. eines dritten Streifens 24'' Empfangsbereich 26' und 28' ausgebildet. Insgesamt lässt sich die zweite Empfangseinheit 34 bzw. die dritte Empfangseinheit 32 durch eine translatorische Verschiebung der ersten Empfangseinheit 22 nach rechts bzw. nach links erzeugen. Es ist vorteilhaft, in den Übergangsbereichen zwischen der ersten Empfangseinheit 22 und der zweiten Empfangseinheit 34, bzw. der dritten Empfangseinheit 32, die ersten Empfangsbereiche 26 bzw. die zweiten Empfangsbereiche 28 mittels den Kontakten 40 anodenseitig anzuschließen, um den Widerstand möglichst klein zu halten. Vorliegend sind durch die abgebildete Vielzahl der Kontakte 40, die einzelnen Empfangsbereiche 26, 28 sehr niederohmig angeschlossen.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass auch beliebig andere Geometrieformen der Empfangsbereiche vorteilhaft und insbesondere kostengünstig herstellbar sind. Durch den modularen Aufbau ist es möglich, die Größe der einzelnen Empfangseinheiten gering zu halten und andererseits durch eine Aneinanderreihung der Empfangseinheiten eine große Sensorfläche bereitzustellen.
Die 3 zeigt einen Querschnitt entlang einer Linie III des erfindungsgemäßen Halbleitersensors 20 der 2. Unterhalb der ersten vorzugsweise p+-dotierten Halbleiterschicht ist eine zweite, vorzugsweise n-dotierte Substratschicht angeordnet, an deren Rückseite eine als Kathode wirkende n+-dotierte Halbleiterschicht ausgebildet ist. Indem die erste Halbleiterschicht durch den Streifen 24 vollständig durchtrennt wird, wird die erste Halbleiterschicht in die ersten Empfangsbereiche 26 und in die zweiten Empfangsbereiche 28 unterteilt.

Claims

Halbleitersensor (20) zur Bestimmung der Position eines auftreffenden Lichtstrahles, aufweisend eine erste Empfangseinheit (22) mit – einer als Empfangsfläche ausgebildeten ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps angeordnet auf einer zweiten darunterliegenden Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps, wobei die erste Halbleiterschicht eine höhere Leitfähigkeit als zweite Halbleiterschicht aufweist, – einem ersten Streifen (24) des zweiten Leitungstyps, der die erste Halbleiterschicht in einen ersten Empfangsbereich (26) und einen zweiten Empfangsbereich (28) unterteilt, so dass auf der Empfangsfläche sich erste Empfangsbereiche (26) und zweite Empfangsbereiche (28) abwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleitersensor (20), wenigstens eine weitere Empfangseinheit (32, 34) aufweist, die ohne Begrenzung mit der ersten Empfangseinheit (22) verbunden ist, wobei zischen der ersten Empfangseinheit (22) und zweiten Empfangseinheit (34) ein Übergangsbereich nur aus dem ersten Empfangsbereich (26) ausgebildet ist oder zwischen der ersten Empfangseinheit (22) und der dritten Empfangseinheit (32) ein Übergangsbereich nur aus dem zweiten Empfangsbereich (28) ausgebildet ist und so ein modulartiger Aufbau ausgebildet wird.
Halbleitersensor (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit des ersten Streifens (24) an seinem Rand kleiner als die Leitfähigkeit der ersten Halbleiterschicht ist.
Halbleitersensor (20) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Streifen (24) in der Mitte eine größere Leitfähigkeit als am Rand aufweist.
Halbleitersensor (20) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Empfangsbereich (26) und der zweite Empfangsbereich (28) im Wesentlichen keilförmig ausgebildet sind.
Halbleitersensor (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleitersensor (20) eine Vielzahl von verbundenen Empfangseinheiten aufweist.
Halbleitersensor (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Empfangsbereiche (26) und die zweiten Empfangsbereiche (28) mittels Kontakte (40) elektrisch angeschlossen sind.
Halbleitersensor (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (40) in einem Übergangsbereich zwischen zwei aneinandergrenzenden Empfangseinheiten angeordnet sind.