DE102013018789A1

DE102013018789A1 - Steuern lichterzeugter Ladungsträger

Info

Publication number: DE102013018789A1
Application number: DE201310018789
Authority: DE
Inventors: Thomas Bever; Henning Feick; Thoralf Kautzsch; Dirk Meinhold; Hanno Melzner; Dirk Offenberg; Stefano Parascandola; Ines Uhlig
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2014-06-05
Also published as: US20140145281A1; CN104037181B; US20170358697A1; US10008621B2; CN104037181A; US20180151765A1; US10707362B2; US9905715B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung umfasst die folgende Schritte auf: Bereitstellen eines ungleichmäßigen Dotierungsprofils, so dass ein elektrisches Feld mit vertikalen Feldvektorkomponenten in zumindest einem Teil eines Lichtwandlungsgebiets erzeugt wird, und Erzeugen einer Steuerelektrodenstruktur, die mehrere Steuerelektroden oberhalb des ungleichmäßigen Dotierungsprofils zum Lenken lichterzeugter Ladungsträger aufweist.

Description

Lichtempfindliche Vorrichtungen, wie Abbildungsvorrichtungen (Imager-Vorrichtungen), werden in vielen Anwendungen und Variationen verwendet. Zusätzlich zu Festkörper-Abbildungsvorrichtungen, wie CCD-(ladungsgekoppelte Vorrichtungen)-Abbildungsvorrichtungen oder CMOS-(komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter)-Abbildungsvorrichtungen, die in der Lage sind, 2D-(zweidimensionale)Bilder bereitzustellen, werden 3D-Abbildungsvorrichtungen oder Tiefenabbildungsvorrichtungen für mehrere Anwendungen immer beliebter. Für die 3D-Abbildung und Tiefenabbildung sind optische Sensoren auf der Grundlage der Flugzeit (TOF) für künftige Anwendungen, die vom Aufnehmen eines Profils von Objekten oder Umgebungen, der Verfolgung und Erkennung von Objekten und Menschen bis zur Erkennung von Bewegungen bestimmter Teile oder bis zur Gestenerkennung reichen, sehr vielversprechend.
Bei Anwendungen von TOF-Sensoren sowie für andere optische Abbildungsvorrichtungen ist die Übertragung von Ladung für den Betrieb der Abbildungsvorrichtung entscheidend. Um ein Beispiel zu geben, ist für die Demodulation einfallenden Lichts, die von Vorrichtungen bereitgestellt wird, welche auf dem Flugzeitprinzip beruhen, die zeitgerechte Übertragung von Ladungsträgern zu den Ausleseknoten für die Genauigkeit der Tiefeninformationen sowie anderer Betriebsparameter entscheidend.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Konzept zum Steuern lichterzeugter Ladungsträgertransport in Abbildungsvorrichtungen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 19 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 28 gelöst.
Gemäß einem Aspekt weist ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung folgende Schritte auf: Bereitstellen eines ungleichmäßigen Dotierungsprofils, so dass ein elektrisches Feld mit vertikalen Feldvektorkomponenten in zumindest einem Teil eines Lichtwandlungsgebiets erzeugt wird, und Erzeugen einer Steuerelektrodenstruktur, die mehrere Steuerelektroden oberhalb des ungleichmäßigen Dotierungsprofils zum Lenken lichterzeugter Ladungsträger aufweist.
Das Erzeugen der Steuerelektrodenstruktur weist bei Ausführungsbeispielen ein Erzeugen mehrerer Steuerelektroden zum Anwenden einer im Wesentlichen stufenweisen elektrischen Potentialverteilung im Lichtwandlungsgebiet auf.
Das Bereitstellen eines ungleichmäßigen Dotierungsprofils kann aufweisen:
ein Bereitstellen einer Dotierungsatome aufweisenden dotierten Schicht in einer Halbleiterschicht,
ein Bereitstellen einer Migration zumindest eines Teils der Dotierungsatome der dotierten Schicht zu einem Gebiet oberhalb der dotierten Schicht.
Ein Teil der Dotierungsatome im Bereich zwischen 1% und 30% migriert bei Ausführungsbeispielen zum Gebiet oberhalb der dotierten Schicht.
Das Bereitstellen der dotierten Schicht kann ferner ein Erzeugen der dotierten Schicht aufweisen, so dass die dotierte Schicht eine laterale Variation der Nettodotierungskonzentration aufweist.
Die laterale Variation der Nettodotierungskonzentration kann in Bezug auf ein Zentrum der Steuerelektrodenstruktur symmetrisch ausgebildet sein.
Die laterale Variation der Nettodotierungskonzentration kann bei Ausführungsbeispielen mindestens eine Variation von 30% der maximalen Nettodotierungskonzentration der dotierten Schicht umfassen.
Ferner kann ein Versehen zumindest eines ersten Abschnitts der dotierten Schicht mit im Wesentlichen einer ersten Nettodotierungskonzentration und eines zweiten Abschnitts der dotierten Schicht mit im Wesentlichen einer zweiten Nettodotierungskonzentration vorliegen, so dass die zweite Nettodotierungskonzentration niedriger ist als die erste Nettodotierungskonzentration.
Das Verfahren kann ferner ein Versehen eines dritten Abschnitts der dotierten Schicht mit im Wesentlichen der ersten Nettodotierungskonzentration umfassen,
wobei der zweite Abschnitt der dotierten Schicht zwischen dem ersten Abschnitt und dem dritten Abschnitt der dotierten Schicht liegt. Der zweite Abschnitt kann dabei unter einem zentralen Abschnitt der Steuerelektrodenstruktur liegen.
Mindestens eine weitere dotierte Schicht kann in einer Tiefe vorgesehen sein, die von der Tiefe der dotierten Schicht verschieden ist, bereitgestellt wird.
Die weitere dotierte Schicht kann sich in lateraler Richtung zumindest bis über ein definiertes Gebiet hinaus erstreckt, zu dem die lichterzeugten Ladungsträger gelenkt werden.
Die zweite Nettodotierungskonzentration kann im Wesentlichen gleich einer Nettodotierungskonzentration des Lichtwandlungsgebiets sein.
Die Nettodotierungskonzentration des ungleichmäßigen Dotierungsprofils kann mit zunehmender Tiefe entlang einer vertikalen Richtung von einer ersten Dotierungskonzentration im Bereich zwischen 10¹² cm^–3 und 10¹⁵ cm^–3 zu einer zweiten Dotierungskonzentration im Bereich zwischen 1,1 × 10¹⁵ cm^–3 und 10²⁰ cm^–3 zunehmen.
Das ungleichmäßige Dotierungsprofil kann in Bezug auf eine vordefinierte Ebene spiegelsymmetrisch sein. Das ungleichmäßige Dotierungsprofil kann ferner so bereitgestellt sein, dass das elektrische Feld vertikale und laterale Feldvektorkomponenten in zumindest einem Teil des Lichtwandlungsgebiets aufweist.
Beim Bereitstellen eines ungleichmäßigen Dotierungsprofils kann ein stufenweises Dotierungsprofil in vertikaler Richtung erzeugt werden. Hierbei kann beim Bereitstellen eines ungleichmäßigen Dotierungsprofils ein gradiertes Dotierungsprofil in vertikaler Richtung erzeugt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt weist eine Vorrichtung auf: ein Halbleitersubstrat, das ein Lichtwandlungsgebiet zum Umwandeln von Licht in lichterzeugte Ladungsträger aufweist, ein Gebiet zum Akkumulieren der lichterzeugten Ladungsträger und eine Steuerelektrodenstruktur mit mehreren Steuerelektroden zum Erzeugen einer Potentialverteilung, so dass die lichterzeugten Träger zu dem Gebiet geleitet werden, um die lichterzeugten Ladungsträger auf der Grundlage an die Steuerelektrodenstruktur angelegter Signale zu akkumulieren. Ein ungleichmäßiges Dotierungsprofil ist in dem Halbleitersubstrat bereitgestellt, um ein elektrisches Feld mit vertikalen Feldvektorkomponenten in zumindest einem Teil des Lichtwandlungsgebiets zu erzeugen.
Das ungleichmäßige Dotierungsprofil kann hierbei ein elektrisches Feld zum Lenken lichterzeugter Träger zu einem vordefinierten Abschnitt der Steuerelektrodenstruktur bereitstellen.
Das ungleichmäßige Dotierungsprofil kann ferner ein elektrisches Feld bereitstellen, so dass lichterzeugte Ladungsträger, die innerhalb eines ersten Tiefenbereichs erzeugt werden, zu dem vordefinierten Abschnitt der Steuerelektrodenstruktur gelenkt werden und die lichterzeugten Ladungsträger, die innerhalb eines zweiten Tiefenbereichs erzeugt werden, von der Steuerelektrodenstruktur fort gelenkt werden.
Das ungleichmäßige Dotierungsprofil kann eine Variation der Nettodotierungskonzentration aufweisen, die im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf ein Zentrum der Steuerelektrodenstruktur ist, so dass das elektrische Feld in Bezug auf eine Ebene durch ein Zentrum der Steuerelektrodenstruktur im Wesentlichen gespiegelt wird.
Der Betrag der vertikalen Komponente des elektrischen Felds kann bei Ausführungsbeispielen mit zunehmender Tiefe zunehmen.
Die Vorrichtung kann ferner dafür ausgelegt sein, um auf der Grundlage eines Modulationssignals ein amplitudenmoduliertes Licht zu erzeugen, das zu einem Objekt zu übertragen ist, wobei die Steuerelektrodenstruktur dafür ausgelegt ist, ein elektrisches Signal zu empfangen, das in einer zeitlichen Beziehung mit dem Modulationssignal verknüpft ist. Das ungleichmäßige Dotierungsprofil kann ferner ein elektrisches Feld bereitstellt, das zumindest in einem Teil des Lichtwandlungsgebiets laterale und vertikale Feldvektorkomponenten aufweist.
Die Vorrichtung kann ferner ein weiteres Gebiet zum Akkumulieren der lichterzeugten Ladungsträger aufweisen, wobei die Steuerelektrodenstruktur zwischen dem Gebiet zum Akkumulieren der lichterzeugten Ladungsträger und dem weiteren Gebiet zum Akkumulieren der lichterzeugten Ladungsträger angeordnet ist.
Das ungleichmäßige Dotierungsprofil kann bei Ausführungsbeispielen ein in vertikaler Richtung gradiertes oder stufenweises Dotierungsprofil sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt weist eine Vorrichtung ein Substrat mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche auf, wobei das Substrat ein Lichtwandlungsgebiet zum Umwandeln einfallenden Lichts in lichterzeugte Ladungsträger aufweist. Die Vorrichtung ist dafür ausgelegt, das einfallende Licht an der zweiten Hauptfläche zu empfangen. Es ist zumindest ein Gebiet bereitgestellt, um die sich an der ersten Hauptfläche befindenden lichterzeugten Ladungsträger zu akkumulieren. Eine Steuerelektrodenstruktur ist an der ersten Hauptfläche angeordnet, um eine Potentialverteilung im Halbleitersubstrat zu erzeugen, so dass die lichterzeugten Träger auf der Grundlage an die Steuerelektrodenstruktur angelegter Signale zu dem mindestens einen Gebiet geleitet werden, um die lichterzeugten Ladungsträger zu akkumulieren. Es ist ein Halbleiterdotierungsprofil zum Erzeugen eines elektrischen Felds mit vertikalen Feldvektorkomponenten zumindest in einem Teil des Lichtwandlungsgebiets bereitgestellt.
Hierbei kann das Halbleiterdotierungsprofil eine dotierte Schicht mit einer lokal maximalen Nettodotierungskonzentration aufweisen, die an der zweiten Hauptfläche angeordnet ist.
Ferner kann die Vorrichtung in Ausführungsbeispielen eine weitere dotierte Schicht in einer Tiefe aufweisen, die von der Tiefe der dotierten Schicht verschieden ist, wobei die Nettodotierungskonzentration der weiteren dotierten Schicht entlang einer lateralen Richtung variiert.
Weitere Ausführungsbeispiele sind in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Figuren gezeigt.
1A zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform,
1B zeigt als Beispiel dienende Potentialverteilungen für die Vorrichtung aus 1A,
2A zeigt eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
2B zeigt als Beispiel dienende Potentialverteilungen für die Vorrichtung aus 2A,
3 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
4 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
5 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
6 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform,
7 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform,
8 zeigt eine Anwendung eines Flugzeitsystems gemäß einer Ausführungsform, und
9 zeigt Beispiele stufenweiser Dotierungsprofile.
Die folgende detaillierte Beschreibung erklärt als Beispiel dienende Ausführungsformen. Die Beschreibung dient dem Erläutern der allgemeinen Prinzipien der Ausführungsformen.
In den in der Zeichnung dargestellten und nachstehend beschriebenen als Beispiel dienenden Ausführungsformen kann jede dirkete Verbindung oder Kopplung zwischen Funktionsblöcken, Vorrichtungen, Komponenten oder anderen physikalischen oder funktionellen Einheiten, die in der Zeichnung dargestellt sind oder hier beschrieben werden, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Funktionsblöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination davon implementiert werden.
Ferner ist zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen als Beispiel dienenden Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, miteinander kombiniert werden können, es sei denn, dass etwas anderes spezifisch erwähnt wird.
In den verschiedenen Figuren kann identischen oder ähnlichen Einrichtungen, Modulen, Vorrichtungen usw. die gleiche Bezugszahl zugewiesen sein.
Der Begriff vertikal wird in einem nicht einschränkenden Sinne verwendet, um in Ausführungsformen Richtungen zu beschreiben, die vertikal oder im Wesentlichen vertikal zu einer Fläche eines Substrats in der Art einer Hauptfläche des Substrats sind. Der Begriff lateral wird in einem nicht einschränkenden Sinne verwendet, um in Ausführungsformen Richtungen zu beschreiben, die zu einer Fläche eines Substrats in der Art einer Hauptfläche des Substrats parallel oder im Wesentlichen parallel sind.
Der in den Ausführungsformen verwendete Begriff Substrat kann Halbleitersubstrate in der Art eines Halbleitereinzelchips, eines gestapelten Einzelchips, eines Halbleitereinzelchips mit einer oder mehreren zusätzlichen Halbleiterschichten, wie Epischichten, PolySiliziumschichten usw., einschließen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung 100, die ein Substrat 102 mit einem Lichtwandlungsgebiet 112 aufweist. Die Vorrichtung ist so ausgelegt, dass Licht in das Lichtwandlungsgebiet 112 eindringt und zumindest ein Teil des einfallenden Lichts in Ladungsträger beider Typen, d. h. Elektronen und Löcher, umgewandelt wird. Gemäß einigen Ausführungsformen könnte das Licht von einer Vorderseite 100a der Vorrichtung 100 in das Lichtwandlungsgebiet eingeleitet werden. Gemäß anderen Ausführungsformen könnte das Licht von der Rückseite 100b der Vorrichtung 100 in das Lichtwandlungsgebiet eingeleitet werden. Das Lichtwandlungsgebiet kann sich gemäß Ausführungsformen in vertikaler Richtung zwischen 15 μm und 60 μm in das Substrat erstrecken, wobei jeder Wert innerhalb dieses Bereichs und jeder Unterbereich eine spezifische Ausführungsform bildet.
Die Vorrichtung 100 weist ferner eine Schicht 104 aus einem isolierenden Material auf, worüber eine erste Steuerelektrode 106a, eine zweite Steuerelektrode 106b und eine dritte Steuerelektrode 106c bereitgestellt sind. Die Schicht 104 ist typischerweise als eine Dünnschicht, beispielsweise eine Gateschicht bereitgestellt und kann beispielsweise Siliziumoxid enthalten. Die in 1A dargestellten Elemente können ein einziges von mehreren Pixeln bilden. Demgemäß können die Steuerelektroden gemäß einigen Ausführungsformen die Modulationsgates einer Demodulationstruktur innerhalb eines Pixels einer Dauerstrich-Flugzeit-Abbildungsvorrichtung bilden. Es ist daher zu erwähnen, dass gemäß einigen Ausführungsformen mehrere Pixel innerhalb der Vorrichtung gebildet werden, die zu einer Wiederholung der in 1A für ein einziges Pixel dargestellten Strukturen und Elemente führen.
Strukturen 108 sind zwischen den Steuerelektroden 106a, 106b, 106c ausgebildet. Die Strukturen 108 können beispielsweise Abstandselemente oder Überzüge umfassen, die beim Herstellungsprozess zur elektrischen Isolation der Steuerelektroden 106a, 106b, 106c erzeugt werden. Andere Strukturen, die in 1A nicht dargestellt sind, wie Metallschichten und Durchgangslöcher, können ferner in die Vorrichtung 100 vorgesehen sein.
Überdies ist eine Deckschicht 110 vorgesehen, die sich über dem Halbleitersubstrat 102 erstreckt. Wie 1A entnommen werden kann, bedeckt die Deckschicht 110 die Steuerelektroden 106a, 106b, 106c und die Strukturen 108, die in der Vorrichtung 100 bereitgestellt sind. Gemäß einigen Ausführungsformen können zusätzliche Elemente, wie Abschirmungselemente zum Abschirmen lichtempfindlicher Bereiche in der Art von Ausleseknoten in oder oberhalb der Deckschicht 110 bereitgestellt sein.
Gemäß der Ausführungsform aus 1A ist die zweite Steuerelektrode 106b zwischen der ersten Steuerelektrode 106a und der dritten Steuerelektrode 106c in Bezug auf eine laterale Richtung (x-Richtung) angeordnet. Gemäß einigen Ausführungsformen hat die zweite Steuerelektrode einen lateralen Abstand zwischen 50 nm und 1 μm zu mindestens einer von der ersten oder der zweiten Steuerelektrode, wobei jeder Wert innerhalb dieses Bereichs und jedes Unterbereichs eine Ausführungsform bildet. Gemäß einigen Ausführungsformen hat die dritte Steuerelektrode einen lateralen Abstand zwischen 0,1 μm und 0,5 μm zu mindestens einer von der ersten oder der zweiten Steuerelektrode. Gemäß einigen Ausführungsformen hat die zweite Steuerelektrode einen lateralen Abstand zwischen 50 nm und 1 μm sowohl zur ersten als auch zur dritten Steuerelektrode, wobei jeder Wert innerhalb dieses Bereichs und jedes Unterbereichs eine Ausführungsform bildet. Gemäß einigen Ausführungsformen hat die zweite Steuerelektrode einen lateralen Abstand zwischen 0,1 μm und 0,5 μm sowohl zur ersten als auch zur dritten Steuerelektrode.
Gemäß Ausführungsformen werden die Steuerelektroden 106a, 106b und 106c so hergestellt, dass sie für das einfallende Licht, das die Ladungsträger im Lichtwandlungsgebiet 112 erzeugt, transparent oder zumindest teiltransparent sind. Dies kann dadurch erzielt werden, dass eine jeweilige Dünnschicht für die Elektroden bereitgestellt wird und/oder ein Material verwendet wird, die oder das für das einfallende Licht transparent oder teiltransparent ist. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Betriebslicht Infrarotlicht oder Nahinfrarotlicht sein. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Betriebslicht sichtbares Licht sein. Wie später mit Bezug auf 8 beschrieben wird, kann das Betriebslicht durch ein Modulationssignal moduliert werden, wenn es von einer Lichtquelle emittiert wird. Wenn sie innerhalb eines Demodulationspixels verwendet werden, wird den Steuerelektroden dann ein Signal zugeführt, das die gleiche Frequenz wie das Lichtmodulationssignal, jedoch eine vordefinierte Zeitverzögerung in Bezug auf dieses hat.
Gemäß Ausführungsformen sind die Steuerelektroden 106a, 106b und 106c Elektroden zum Lenken der lichterzeugten Ladungsträger in lateraler Richtung auf der Grundlage der an den jeweiligen Steuerelektroden 106a, 106b, 106c vorhandenen Potentiale. Gemäß Ausführungsformen bewirken die Potentiale an den Steuerelektroden 106a, 106b, 106c die Erzeugung von Raumladungsgebieten in Halbleitergebieten unterhalb der jeweiligen Steuerelektrode. Wie nachstehend weiter beschrieben wird, ist die Vorrichtung 100 in der Lage, Raumladungsgebiete unterschiedlicher Ausdehnungen unterhalb der jeweiligen Steuerelektroden 106a, 106b, 106c auf der Grundlage des jeweiligen an der Steuerelektrode vorhandenen elektrischen Potentials zu erzeugen. Unterhalb einer jeweiligen Steuerelektrode ist die Ausdehnung des Raumladungsgebiets und damit das elektrische Potential im Wesentlichen konstant, während im Gebiet zwischen zwei benachbarten Steuerelektroden mit unterschiedlichen Raumladungsausdehnungen elektrische Driftfelder erzeugt werden. Dadurch wird eine Potentialverteilung für lichterzeugte Ladungsträger im Halbleitergebiet in der Nähe der Substratoberfläche erzeugt, wodurch Driftfelder in lateraler Richtung abhängig von den an den Steuerelektroden 106a, 106b, 106c vorhandenen elektrischen Potentialen hervorgerufen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das elektrische Potential zumindest einer der Steuerelektroden hauptsächlich durch eine kapazitive Kopplung mit anderen Steuerelektroden erzeugt werden. Dies hat den Vorteil eines geringeren Stromverbrauchs, weil die mindestens eine Steuerelektrode nicht aktiv, sondern nur durch einen kapazitiven Teiler angesteuert wird. Durch Zuführen von Potentialen zu den Steuerelektroden, welche die mindestens eine Steuerelektrode umgeben, wird eine Ladungsumverteilung an der Steuerelektrode 106c eingeleitet, die bewirkt, dass das Potential der mindestens einen Steuerelektrode beim Betrieb zwischen den gegenwärtig vorhandenen Potentialen der benachbarten Steuerelektroden liegt. Wenn mindestens eine der aktiv angesteuerten Steuerelektroden mit einem veränderlichen elektrischen Potential angesteuert wird, wird eine kontinuierliche Ladungsumverteilung in der mindestens einen Steuerelektrode bewirkt. Im Unterschied zu den anderen Steuerelektroden, deren Potentiale durch feste Potentialquellen oder zeitlich veränderliche Potentialquellen zugeführt werden, wird das Potential der Steuerelektrode durch kapazitive Kopplung mit den anderen Steuerelektroden gesteuert, wodurch es ermöglicht wird, den Stromverbrauch für das Ansteuern der Steuerelektroden zu verringern.
1B zeigt ein Diagramm, das sich aus einem Beispielbetrieb der Steuerelektroden 106a, 106b und 106c aus 1A gemäß einer Ausführungsform ergibt. 1B zeigt als Abszisse die elektrische Potentialverteilung als negatives elektrisches Potential, das durch die Steuerelektroden 106a, 106b und 106c in den Halbleitergebieten unterhalb der Steuergates erzeugt wird. Das negative elektrische Potential entspricht der von lichterzeugten Elektronen (negativen Ladungen), die gemäß den beschriebenen Ausführungsformen die durch die Steuerelektroden 106a, 106b, 106c zu übertragenden Ladungsträger sind, gesehenen Potentialenergie.
Wie ersichtlich ist, variiert das an die erste Steuerelektrode 106a (in 1B durch ”a” angegeben) angelegte Potential so, dass ein Maximum der Potentialenergie zur Zeit t = 0 erhalten wird und ein Minimum zur Zeit t = T/2 erhalten wird. Die zweite Steuerelektrode 106b (in 1B durch ”b” angegeben) wird konstant gehalten. Es ist ersichtlich, dass zu beiden Zeiten t = 0 und t = T/2 die Potentialverteilung stufenweise ist, so dass für die zwischen den Steuerelektroden 106a und 106c angeordnete Steuerelektrode 106b das Potential der Steuerelektrode 106b auch zwischen dem Potential der Steuerelektroden 106a, 106c liegt. Die Verwendung von zwei Steuerelektroden, die durch zeitlich veränderliche Signale angesteuert werden, während eine Steuerelektrode auf einem konstanten elektrischen Potential gehalten wird, stellt die erforderliche stufenweise Potentialverteilung sehr leistungswirksam bereit, weil kein zeitlich veränderliches Ansteuersignal an die Steuerelektrode 106b angelegt werden muss.
Es sei bemerkt, dass die Anzahl der Stufen in der durch die Steuerelektrodenkonfiguration erzeugten Potentialverteilung durch Hinzufügen zusätzlicher Steuerelektroden erhöht werden kann. Falls die Anzahl der Steuerelektroden K ist, addiert sich die Anzahl der Stufen in der Potentialverteilung zu K + 1 auf.
Beim vorstehend beschriebenen Betrieb können die erzeugten Ladungsträger durch das von den Steuerelektroden erzeugte elektrische Feld zu Ausleseknoten geleitet werden, die lateral zur Steuerelektrodenstruktur angeordnet sind. Mit anderen Worten ist die Steuerelektrodenanordnung in der Lage, eine bidirektionale Übertragung zu jeder lateralen Seite bereitzustellen, sobald die Ladungsträger die Einflusszone der Steuerelektroden erreichen. Bei optischen Flugzeitsensoren ist die Steuerung der Ladungsträger zeitkritisch, weil der Betrieb vom zeitgerechten Transport der Ladungsträger zu den lateral angeordneten Ausleseknoten abhängt.
Bei herkömmlichen Systemen bewegen sich innerhalb des Lichtwandlungsgebiets erzeugte Ladungsträger nur durch Diffusion vom Ursprung der Ladungserzeugung zur Einflusszone der Steuerelektroden 106a, 106b, 106c. Nur an der Einflusszone der Steuerelektroden 106a, 106b, 106c werden die Ladungsträger dann einem elektrischen Feld ausgesetzt und dadurch auf der Grundlage der entsprechenden an die Steuerelektroden 106a, 106b, 106c angelegten Potentialverteilung lateral zur Steuerelektrodenstruktur übertragen. Allerdings kann dies bei zeitkritischen Anwendungen, wie einem Demodulationspixel für ein Dauerstrich-(cw)-Flugzeitsystem, ein begrenzender Faktor sein, weil es zu lange dauern könnte, bis sich die Ladungsträger von innerhalb des Lichtwandlungsgebiets zur Einflusszone der Steuerelektroden 106a, 106b, 106c bewegen. Auch geht bei einer Diffusion als einziger Mechanismus für die vertikale Bewegung ein bestimmter Prozentsatz der Ladungsträger verloren und erreicht die Einflusszone nicht und geht deshalb verloren, bevor er die Ausleseknoten erreicht. Dies verringert die Wirksamkeit des Systems. Weil viele Flugzeitsysteme Infrarotlicht verwenden, das eine höhere Eindringtiefe als sichtbares Licht hat, ist der mittlere Abstand vom Ursprung der Ladungserzeugung zu den Steuerelektroden 106a, 106b, 106c sogar vergrößert.
Hier beschriebene Ausführungsformen stellen eine verbesserte und wirksamere Steuerung lichterzeugter Ladungsträger durch Erzeugen eines eingebauten elektrischen Felds (Build-In-Field) zur Erzeugung einer Driftbewegung bereit.
Das eingebaute elektrische Feld kann gemäß einigen Ausführungsformen eine im Wesentlichen vertikale Feldkomponente haben, die zu einer vertikalen Feldbewegung von innerhalb des Lichtwandlungsgebiets zu der Ebene führt, in der die Steuerelektroden 106a, 106b, 106c angeordnet sind, wie in 1A dargestellt ist. Wie später beschrieben wird, erzeugt das eingebaute elektrische Feld in einigen Teilen des Lichtwandlungsgebiets nicht nur eine vertikale Bewegung, sondern auch eine laterale Bewegung. Mit anderen Worten kann das eingebaute elektrische Feld gemäß einigen Ausführungsformen zumindest in einigen Gebieten des Lichtwandlungsgebiets laterale Feldkomponenten zusätzlich zu vertikalen Feldkomponenten haben. Gemäß einigen Ausführungsformen bewirkt die durch das eingebaute Feld bewirkte laterale Bewegung eine Konzentration der Ladungsträger in vordefinierten Abschnitten.
Gemäß Ausführungsformen ist das eingebaute elektrische Feld ein statisches eingebautes Feld, das durch Bereitstellen eines ungleichmäßigen Nettodotierungsprofils im Lichtwandlungsgebiet erzeugt wird. 1A zeigt ein als Beispiel dienendes Dotierungsprofil 122, wobei ein Gebiet mit einer spezifischen Nettodotierungskonzentration als eine durchgehende Linie dargestellt ist.
Die Richtung der von den lichterzeugten Elektronen im resultierenden eingebauten elektrischen Feld der ungleichmäßigen Dotierungskonzentration gespürten Beschleunigung ist in 1A durch schwarze massive Pfeile dargestellt. Die Richtung der von den Elektronen angesichts der an die Steuerelektroden 106a, 106b, 106c angelegten zeitlich veränderlichen Steuersignale gespürten Beschleunigung ist in 1A durch graue massive Pfeile dargestellt.
Es sei ferner bemerkt, dass das eingebaute elektrische Feld gemäß den beschriebenen Ausführungsformen durch ein ungleichmäßiges Dotierungsprofil nur eines Dotierungstyps (n-Dotierung oder p-Dotierung) erzeugt wird. Demgemäß unterscheidet sich das eingebaute Feld von einem in Bipolarübergängen erzeugten eingebauten Feld. Insbesondere ist zu verstehen, dass die Stärke des eingebauten elektrischen Felds durch den Gradienten der Dotierungskonzentration bestimmt ist. Mit anderen Worten, je stärker sich die Dotierungskonzentration je Längeneinheit in einer Richtung ändert, desto höher ist die Komponente des in dieser Richtung erzeugten eingebauten elektrischen Felds. Gemäß einigen Ausführungsformen ändert sich die Dotierungskonzentration im Lichtwandlungsgebiet in vertikaler Richtung kontinuierlich, so dass ein eingebautes elektrisches Feld mit vertikalen Vektorkomponenten im Lichtwandlungsgebiet erzeugt wird. Wenngleich die beschriebenen Ausführungsformen eingebaute Felder verwenden, die durch Dotieren nur eines Trägertyps erzeugt werden, ist zu verstehen, dass andere Ausführungsformen an Stelle dieser Felder oder zusätzlich zu diesen Felder durch bipolare Dotierungsprofile erzeugte eingebaute elektrische Feldern verwendet werden können.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die vertikale Komponente des eingebauten elektrischen Felds konstant sein. Das eingebaute elektrische Feld kann nach E = kB·T/q0dln(Na)/dz berechnet werden, wobei kB die Boltzmann-Konstante ist, T die absolute Temperatur ist, q0 die Ladung des Ladungsträgers ist und dln(Na)/dz die Änderung des natürlichen Logarithmus der Dotierungskonzentration mit zunehmendem Abstand in vertikaler Richtung ist. Demgemäß kann ein lineares eingebautes Feld durch Bereitstellen eines Dotierungsprofils erreicht werden, bei dem sich der Logarithmus der Dotierungskonzentration in vertikaler Richtung linear ändert. Gemäß anderen Ausführungsformen kann das Dotierungsprofil bereitgestellt werden, bei dem sich der Logarithmus der Dotierungskonzentration in vertikaler Richtung überlinear ändert. Dann kann ein resultierendes eingebautes Feld mit einer vertikalen Feldkomponente, die in vertikaler Richtung ansteigt, erhalten werden. Solche Ausführungsformen können die verringerte Trägermobilität infolge der höheren Dotierungskonzentration mit zunehmender Tiefe kompensieren, um beispielsweise eine konstante Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger zu erhalten. Die vorstehenden Ausführungsformen können einen wirksameren Transport der Ladungsträger in vertikaler Richtung ermöglichen, weil Ladungsträger, die weiter von den Steuerelektroden 106a, 106b, 106c entfernt erzeugt werden, durch das eingebaute Feld einer stärkeren Beschleunigungskraft unterzogen werden als Ladungsträger, die näher bei den Steuerelektroden 106a, 106b, 106c erzeugt werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann sich das ungleichmäßige Dotierungsprofil in vertikaler Richtung von den Steuerelektroden mindestens zwischen 3 μm und 50 μm erstrecken, wobei jeder Wert in diesem Bereich und jeder Unterbereich dieses Bereichs eine spezifische Ausführungsform bildet.
Das ungleichmäßige Dotierungsprofil kann gemäß einigen Ausführungsformen durch Bereitstellen einer dotierten Schicht erzeugt werden, welche Dotierungsmaterialien in einer Halbleiterschicht enthält, wobei später eine Migration mindestens eines Teils der Dotierungsatome der dotierten Schicht zu mindestens einem Gebiet oberhalb der dotierten Schicht geschieht. 6 zeigt ein Beispiel eines Herstellungsprozessablaufs 600. Bei 602 wird eine dotierte Schicht bereitgestellt, während bei 604 ein Teil der Dotierungsatome der dotierten Schicht später migriert werden, um das ungleichmäßige Dotierungsprofil bereitzustellen. Der Migrationsschritt kann gemäß einigen Ausführungsformen eine Wärmebehandlung einschließen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die dotierte Schicht vor dem Migrationsschritt eine Breite (volle Breite beim halben Maximum in vertikaler Richtung) zwischen 0,1 und 5 μm aufweisen, wobei jeder Wert dazwischen und jeder Unterbereich eine spezifische Ausführungsform bildet. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Aktivierungsschritt vor dem Migrationsschritt auf die dotierte Schicht angewendet werden. Der Aktivierungsschritt kann eine Eintreibungswärmebehandlung zum Minimieren von Defekten aufweisen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann sich das ungleichmäßige Dotierungsprofil in vertikaler Richtung von den Steuerelektroden zu mindestens zwischen 30% und 300% der Breite (lateralen Ausdehnung) der lateralen Ausdehnung der Steuerelektroden in Zusammenhang mit einem Gebiet zur Akkumulation erstrecken, wobei jeder Wert in diesem Bereich und jeder Unterbereich dieses Bereichs eine spezifische Ausführungsform bildet.
Der Teil der Dotierungsatome der dotierten Schicht, der in das Gebiet oberhalb der dotierten Schicht migriert, kann gemäß einigen Ausführungsformen im Bereich zwischen 1% und 30% der Dotierungskonzentration der dotierten Schicht liegen. Schließlich wird bei 606 die Steuerelektrodenstruktur oberhalb des ungleichmäßigen Dotierungsprofils erzeugt.
Das Dotierungsprofil kann gemäß einigen Ausführungsformen durch einen gradierten Epiprozess erzeugt werden, wobei sich das Dotierungsprofil während des epitaxialen Wachstums des das Lichtwandlungsgebiet bildenden Materials allmählich ändert. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein stufenweises Dotierungsprofil erzeugt werden, um das eingebaute Feld bereitzustellen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein stufenweises Dotierungsprofil, gefolgt von einem Migrationsschritt, erzeugt werden, wobei eine Migration von Dotierungsatomen des stufenweisen Dotierungsprofils durchgeführt wird, um die Dotierungsschritte auszuglätten. Ein solcher Migrationsschritt kann durch Anwenden von Wärme bereitgestellt werden. Vor dem Migrationsschritt kann ein Aktivierungsschritt bereitgestellt werden, um die Dotierungsatome zu aktivieren. Der Aktivierungsschritt kann beispielsweise das Anwenden von Wärme aufweisen. Das stufenweise Dotierungsprofil kann eine beliebige Anzahl von Stufen, wie zwei Stufen, drei Stufen usw., einschließen. Das stufenweise Dotierungsprofil kann für jede Stufe in der Nettodotierungskonzentration mindestens ein flaches Gebiet aufweisen, in dem sich das Dotierungsprofil in vertikaler Richtung nicht ändert oder nur langsam ändert, und ein steiles Gebiet aufweisen, in dem die Änderung des Dotierungsprofils in vertikaler Richtung viel höher als im flachen Gebiet ist. 9 zeigt ein Beispiel eines stufenweisen Dotierungsprofils 910 vor dem Migrationsschritt. In 9 entspricht die Ordinate der Nettodotierungskonzentration auf einer logarithmischen Skala in beliebigen Einheiten und entspricht die Abszisse der vertikalen Achse (z-Achse). Beim Dotierungsprofil 910 aus 9 folgt einem ersten flachen Gebiet 901 mit einer hohen Nettodotierungskonzentration ein erstes Stufengebiet 902, dem ein zweites flaches Gebiet 903 mit einer Dotierungskonzentration, die niedriger als jene des ersten flachen Gebiets ist, folgt. Am anderen Ende folgt dem zweiten flachen Gebiet 903 ein zweites steiles Gebiet 904, dem ein drittes flaches Gebiet 905 mit einer Nettodotierungskonzentration, die niedriger als jene des zweiten flachen Gebiets 903 ist, folgt. Es ist zu verstehen, dass 9 nur eines von vielen Beispielen zum Verwirklichen eines stufenweisen Dotierungsprofils zeigt. Die flachen Gebiete des stufenweisen Dotierungsprofils haben eine größere Ausdehnung in vertikaler Richtung als die steilen Gebiete. Gemäß einigen Ausführungsformen liegt das Ausdehnungsverhältnis in vertikaler Richtung des flachen Gebiets und des steilen Gebiets zwischen 3:1 und 10:1. Gemäß einigen Ausführungsformen kann jedes der flachen Gebiete in vertikaler Richtung eine Ausdehnung zwischen 3 und 8 μm aufweisen, wobei jeder Wert und jeder Unterbereich eine Ausführungsform bildet. Gemäß einigen Ausführungsformen kann jedes der steilen Gebiete in vertikaler Richtung eine Ausdehnung aufweisen, die zwischen 0,3 und 1,5 μm liegt, wobei jeder Wert und jeder Unterbereich eine Ausführungsform bildet. Nach dem Anwenden des Migrationsschritts durch Erwärmen wird das stufenweise Dotierungsprofil 910 in ein Dotierungsprofil 912 umgewandelt. Die Nettodotierungskonzentration des Dotierungsprofils 912 kann sich in vertikaler Richtung von einer ersten Dotierungskonzentration, die im Bereich zwischen 10¹⁹ und 10¹⁷ cm^–3 liegt, zu einer zweiten Nettodotierungskonzentration, die im Bereich zwischen 10¹³ und 10¹⁵ cm^–3 liegt, ändern. Die durch den Logarithmus der Änderung der Nettodotierungskonzentration in cm^–3 pro 1 μm beschriebene durchschnittliche Steigung des Dotierungsprofils 912 kann im Bereich zwischen 0,6 und 0,3 liegen, wobei jeder Wert und jeder Unterbereich eine Ausführungsform bildet. Es sei bemerkt, dass solche durchschnittliche Steigungen auch durch andere Herstellungs- und Dotierungsverfahren erreicht werden können. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein stufenweiser Epiprozess angewendet werden, bei dem eine erste Epischicht mit einer ersten Dotierungskonzentration und eine zweite Epischicht mit einer zweiten Dotierungskonzentration gezüchtet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen können der gradierte Epiprozess oder der stufenweise Epiprozess mit einem Migrationsschritt der Dotierungsatome kombiniert werden, wodurch eine effiziente und verbesserte spezielle Auslegung des Dotierungsprofils ermöglicht wird. Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine dotierte Schicht in Kombination mit dem gradierten Epiprozess oder dem stufenweisen Epiprozess bereitgestellt werden, um eine zusätzliche spezielle Auslegung des Dotierungsprofils bereitzustellen.
2A zeigt eine Vorrichtung 200, die ein Dotierungsprofil mit einer dotierten Schicht aufweist. Wenngleich die Vorrichtung 200 zusätzliche Elemente aufweist, die in 1A nicht dargestellt sind, ist zu bemerken, dass das später erklärte Dotierungsprofil auch auf die in 1A dargestellte Vorrichtungsstruktur sowie auf andere Elementkonfigurationen und Steuerelektronenkonfigurationen angewendet werden kann. Gemäß einigen Ausführungsformen ist ein Gebiet zum Akkumulieren der lichterzeugten Ladungsträger lateral zu den Steuerelektroden hin bereitgestellt.
Im Unterschied zu 1A zeigt 2A Diodenstrukturen 114, die als Ausleseknoten lateral zu beiden Enden der Elektrodenstruktur wirken. Die Diodenstrukturen 114 bewirken das Akkumulieren von Ladungsträgern, und sie können beispielsweise durch eine dotierte Wanne innerhalb des Substrats gebildet werden. Die Steuerelektrodenstruktur ist zwischen beiden Diodenstrukturen 114 angeordnet. Die Diodenstrukturen 114 sind elektrisch durch Verbindungsstrukturen 118 verbunden, um Ausgangssignale zur Weiterverarbeitung bereitzustellen. Zusätzlich zu den Steuerelektroden 106a, 106b und 106c sind zusätzliche Trennungselektroden 106d und 106e, die auf einem konstanten elektrischen Potential gehalten sind, zwischen den Diodenstrukturen 114 und den Steuerelektroden 106a, 106b, 106c bereitgestellt. Die Trennungselektroden 106d und 106e bewirken das Begrenzen von Einflüssen der Steuerelektroden 106a, 106b, 106c in der Art einer Signalkopplung mit den Diodenstrukturen 114. Ferner ist ein vergrabener Kanal 206 bereitgestellt, um den lateralen Transport der Ladungsträger unter dem Einfluss der Steuerelektroden 106a, 106b, 106c zu verbessern. Ähnlich 1B zeigt 2B für einen Beispielbetrieb die entsprechenden durch die Steuerelektroden 106a, 106b, 106c und die Trennungselektroden 106d und 106e erzeugten Potentialverteilungen.
Im Unterschied zu 1A hat das durch das Dotierungsprofil nach 2A erzeugte eingebaute elektrische Feld in einigen Gebieten des Lichtwandlungsgebiets nicht nur eine vertikale Feldkomponente, sondern auch eine laterale Feldkomponente. Das Dotierungsprofil hat eine laterale Variation der Nettodotierungskonzentration, die im Wesentlichen symmetrisch zu einer Ebene ist, die durch das Zentrum der Steuerelektrodenstruktur verläuft, wie in 2A dargestellt ist. Die Spiegelsymmetrie erzeugt zusätzlich zur vertikalen Bewegung auch eine laterale Bewegung, um die Ladungsträger in einem vordefinierten Abschnitt des Pixels zu konzentrieren, welcher beispielsweise der Abschnitt der höchsten Übertragungseffizienz der Steuerelektroden 106a, 106b, 106c sein kann.
Um die lateralen Feldkomponenten zu erreichen, weist das Lichtwandlungsgebiet gemäß der Ausführungsform aus 2A eine dotierte Schicht 202 auf, die eine laterale Variation der Nettodotierungskonzentration aufweist. Gemäß der Ausführungsform aus 2A ist die dotierte Schicht 202 in einen ersten Abschnitt 202a, einen zweiten Abschnitt 202b und einen dritten Abschnitt 202c segmentiert. Die dotierte Schicht 202 kann beispielsweise als eine innerhalb eines Herstellungsprozesses bereitgestellte vergrabene Schicht bereitgestellt sein.
Der erste und der dritte Abschnitt 202a, 202c, welche den zweiten Abschnitt 202b umgeben, weisen eine höhere Nettodotierungskonzentration auf als der zweite Abschnitt 202b. Gemäß einigen Ausführungsformen können der erste und der dritte Abschnitt 202a, 202c im Wesentlichen die gleiche Nettodotierungskonzentration aufweisen. Das gemäß der Ausführungsform aus 2A bereitgestellte ungleichmäßige Dotierungsprofil kann durch eine Migration von Dotierungsmaterialien der dotierten Schicht 202 erzeugt werden, wie vorstehend mit Bezug auf 6 erklärt wurde.
Es kann in 2A ferner beobachtet werden, dass ein lokales Maximum der Nettodotierungskonzentration in vertikaler Richtung durch die dotierte Schicht 202 im Lichtwandlungsgebiet bereitgestellt ist. Mit anderen Worten nimmt die Nettodotierungskonzentration bei einer Bewegung von der dotierten Schicht 202 in vertikaler Richtung zu den Steuerelektroden 106a, 106b, 106c sowie bei einer Bewegung von der dotierten Schicht 202 in vertikaler Richtung von den Steuerelektroden 106a, 106b, 106c fort ab. Dies führt dazu, dass die vertikale Komponente oberhalb und unterhalb der dotierten Schicht 202 umgekehrt wird. Mit einem solchen Dotierungsprofil kann ein tiefenselektiver Transport der lichterzeugten Ladungsträger bereitgestellt werden. Es erlaubt das Verwerfen tief im Substrat erzeugter lichterzeugter Ladungsträger, die nicht zeitgerecht zur Einflusszone der Steuerelektroden 106a, 106b, 106c transportiert werden würden, indem ein Transport bereitgestellt wird, bei dem solche lichterzeugten Ladungsträger von den Steuerelektroden 106a, 106b, 106c fort bewegt werden. Auf diese Weise kann der Kontrast weiter verbessert werden, indem ein solcher tiefenselektiver Transportmechanismus bereitgestellt wird.
Ähnlich 1A zeigen die schwarzen massiven Pfeife in 2A das dem eingebauten elektrischen Feld entsprechende Beschleunigungsvektorfeld. Es kann beobachtet werden, dass das erzeugte eingebaute Feld die Konzentrationswirkung aufgrund der Spiegelsymmetrie sowie die tiefenselektive Wirkung liefert, die bewirkt, dass lichterzeugte Elektronen, die unterhalb der dotierten Schicht 202 erzeugt werden, von der Steuerelektrodenstruktur fort gelenkt werden.
Es sei bemerkt, dass viele Varianten zur speziellen Auslegung des eingebauten elektrischen Felds möglich sind. Gemäß einigen Ausführungsformen weist die laterale Variation der Nettodotierungskonzentration in der dotierten Schicht eine Variation von mindestens 30% der maximalen Nettodotierungskonzentration der dotierten Schicht auf. Während 2A eine laterale Variation der Dotierungskonzentration durch Bereitstellen von drei Abschnitten zeigt, ist zu verstehen, dass auch andere laterale Variationen, einschließlich einer dotierten Schicht mit mehr als drei Abschnitten unterschiedlicher Dotierungskonzentrationen oder eine kontinuierliche Variation der Dotierungskonzentration der dotierten Schicht implementiert werden können.
Das ungleichmäßige Dotierungsprofil kann eine Nettodotierungskonzentration aufweisen, welche mit zunehmender Tiefe entlang einer vertikalen Richtung von einer ersten Nettodotierungskonzentration im Bereich zwischen 10¹² cm^–3 und 10¹⁵ cm^–3 zu einer zweiten Nettodotierungskonzentration im Bereich zwischen 1,1 × 10¹⁵ cm^–3 und 10²⁰ cm^–3 zunimmt, wobei jeder Wert in jedem Bereich und jeder Unterbereich in jedem Bereich eine Ausführungsform bilden.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann sich der Abschnitt der dotierten Schicht 202 mit der niedrigsten Nettodotierungskonzentration unterhalb eines zentralen Abschnitts der Steuerelektrodenstruktur befinden, wie in 2A dargestellt ist. Gemäß einigen Ausführungsformen kann sich der zentrale Abschnitt der Steuerelektrodenstruktur in der Mitte zwischen den beiden lateralen Ausleseknoten befinden. Dies stellt den Konzentrationseffekt im zentralen Abschnitt der Steuerelektrodenstruktur bereit, wo die Modulationseffizienz für die Ladungsträger am höchsten ist. Es ist jedoch zu verstehen, dass viele Variationen des ungleichmäßigen Dotierungsprofils, einschließlich unsymmetrischer Dotierungsprofile, bereitgestellt werden können.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die dotierte Schicht 202 im unteren dotierten Abschnitt 202b im Wesentlichen die gleiche Nettodotierungskonzentration aufweisen wie das Substrat 102, bevor die Migration von Dotierungsatomen bewirkt wird, wie mit Bezug auf 6 erklärt wird. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung 300 mit einer Dotierungskonzentration, wie vorstehend erklärt wurde. Die Strukturen der Vorrichtung 300 entsprechen im Wesentlichen den mit Bezug auf 2A erklärten Strukturen. Es kann 3 entnommen werden, dass ein Teil der Dotierungsatome aus dem Abschnitt 202a und dem Abschnitt 202c zum zentralen Abschnitt 202b migriert sind, um das Dotierungsprofil im Abschnitt 202b sowie in anderen Teilen des Lichtwandlungsgebiets zu bilden.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine weitere dotierte Schicht im Substrat in einer Tiefe (Abstand von der Oberfläche, an der die Steuergates angeordnet sind, in z-Richtung) bereitgestellt werden, die von der Tiefe der anderen dotierten Schicht verschieden ist.
4 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung 400 ähnlich 2A, einschließlich einer weiteren dotierten Schicht 204. Die weitere dotierte Schicht 204 kann sich gemäß Ausführungsformen in lateraler Richtung bis zumindest jenseits eines vordefinierten Gebiets erstrecken, zu dem die lichterzeugten Ladungsträger durch die Steuerelektroden 106a, 106b und 106c gelenkt werden. Mit anderen Worten kann sich die weitere dotierte Schicht gemäß einigen Ausführungsformen zumindest unter der Diodenstruktur 114 und über diese hinaus erstrecken, zu der die lichterzeugten Elektronen durch die Steuerelektroden 106a, 106b und 106c gelenkt werden. Wie in 4 ersichtlich ist, stellt die dotierte Schicht 204, zusätzlich zu einer erhöhten Konzentrationswirkung, auch eine Abschirmungswirkung für die Diodenstruktur 114 bereit, so dass sich lichterzeugte Elektronen nicht direkt von innerhalb des Lichtwandlungsgebiets zur Diodenstruktur 114, sondern nur unter dem Einfluss der durch die Steuerelektroden 106a, 106b, 106c erzeugten elektrischen Felder bewegen dürfen.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die dotierte Schicht 202 an oder in der Nähe der Rückseite des Substrats 102 bereitgestellt sein, wie in 5 dargestellt ist. Die an oder in der Nähe der Rückseite bereitgestellte dotierte Schicht 202 kann mit einer lateralen Nettodotierungsvariation versehen werden, beispielsweise indem verschiedene Abschnitte mit unterschiedlichen Nettodotierungskonzentrationen versehen werden, wie vorstehend erklärt wurde. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die dotierte Schicht 202 keine laterale Dotierungsvariation aufweisen, d. h. die Nettodotierungskonzentration kann über die dotierte Schicht 202 konstant sein. Es sei bemerkt, dass die Ausführungsform aus 5 ermöglicht, dass eine rückseitige Beleuchtung an Stelle einer vorderseitigen Beleuchtung bereitgestellt werden kann. Mit anderen Worten kann das Licht von der Rückseite des Substrats 102 in das Lichtwandlungsgebiet eindringen. Ein Ausdünnungsprozess kann gemäß Ausführungsformen verwendet werden, um das Substrat mit einer Dicke im Bereich zwischen 20 μm und 100 μm zu versehen, wobei jeder Wert des Bereichs und jedes Unterbereichs eine spezifische Ausführungsform bildet.
Anwendungen der vorstehend erklärten Vorrichtungen können Photonenmischanwendungen einschließen, um eine Demodulation in Flugzeitsystemen bereitzustellen, wobei die Steuerelektrodenstruktur dafür ausgelegt ist, ein elektrisches Signal zu empfangen, das in einer zeitlichen Beziehung (beispielsweise einer Phasenverzögerung) mit dem Modulationssignal verknüpft ist.
8 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung 800, wobei durch eine Lichtquelle 802 erzeugtes Licht auf der Grundlage eines durch eine Signalquelle 806 erzeugten Modulationssignals 804 kontinuierlich amplitudenmoduliert wird. Das Modulationssignal kann eine Sinuswellenform aufweisen, es können jedoch auch andere Signalwellenformen in der Art einer rechteckigen oder dreieckigen Wellenform verwendet werden. Das modulierte Lichtsignal wird bereitgestellt, um den Abstand zu einem Objekt 808 zu bestimmen. Das vom Objekt 808 reflektierte modulierte Licht wird zu einer Abbildungsvorrichtung 810 gelenkt, welche Pixel aufweist, wie beispielsweise in den mit Bezug auf die 1A, 2A, 3, 4 und 5 beschriebenen Ausführungsformen dargestellt ist. In der Abbildungsvorrichtung 810 wird ein Signal 804A, das dem um eine vorgegebene Phase, beispielsweise 0°, 90°, 180° und 270°, phasenverschobenen Modulationssignal 804 entspricht, den Steuerelektroden zur Mischung und Demodulation des reflektierten Lichts innerhalb jedes Pixels bereitgestellt. Bestimmte Zeitintervalle werden für jede der vorgegebenen Phasen zugewiesen. Nach der Integration der Signale in den jeweiligen Zeitintervallen für jede Phase 0°, 90°, 180° und 270° werden Ausgangssignale I0, I1, I2, I3 entsprechend jeder Phase erhalten. Anhand der Ausgangssignale I0, I1, I2, I3 können die der Laufzeit entsprechenden Phaseninformationen berechnet werden, wie Fachleuten bekannt ist. Es sei bemerkt, dass die Struktur aus 2A, welche zwei Ausleseknoten auf beiden Seiten aufweist, das gleichzeitige Erhalten der Phasen I0 und I2 bzw. der Phasen I1 und I3 ermöglicht.
Bei einer Weiterverarbeitung der Ausgangssignale werden dem Abstand des Objekts 808 entsprechende Informationen einem Benutzer bereitgestellt. Gemäß der in 8 dargestellten Ausführungsform wird das Signal 804A in Zeitintervallen bereitgestellt, die in Bezug auf das Modulationssignal 804 phasenverschoben sind. Es ist zu verstehen, dass nur die relative Phasenverschiebung des Modulationssignals und des Demodulationssignals erforderlich ist. Daher kann gemäß anderen Ausführungsformen ein System mit ausgetauschten Signalen 804 und 804A vorgesehen sein, wobei das Modulationssignal 804 für die Lichtmodulation in verschiedenen Zeitintervallen in Bezug auf das Signal 804A phasenverschoben ist, das mit keiner Phasenänderung versehen ist.
Wenngleich die beschriebene Ausführungsform 4-Phasen-Berechnungen aufweist, ist zu verstehen, dass gemäß anderen Ausführungsformen auch andere Berechnungen verwendet werden können, die 3 Phasenverzögerungen oder 5 oder mehr Phasenverzögerungen verwenden.
Unter Bezug auf 7 ist ein Flussdiagramm einer als Beispiel dienenden Lichtdemodulation bei Verwendung der Vorrichtung 800 beschrieben. In einem ersten Schritt 702 wird die Lichtquelle auf der Grundlage eines periodischen Modulationssignals moduliert, um einen Dauerstrich-Lichtstrahl zu erzeugen. Bei 704 wird der modulierte Lichtstrahl einem Objekt bereitgestellt. Bei 706 wird der modulierte Lichtstrahl, der vom Objekt reflektiert wird, einem Lichtwandlungsgebiet bereitgestellt, das ein eingebautes elektrisches Feld aufweist, welches durch ein ungleichmäßiges Dotierungsprofil hervorgerufen wird, wie vorstehend erklärt wurde. Bei 708 werden zeitlich veränderliche Potentialverteilungen auf der Grundlage angelegter Signale durch die Steuerelektroden erzeugt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung, welches folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines ungleichmäßigen Dotierungsprofils, so dass ein elektrisches Feld mit vertikalen Feldvektorkomponenten in zumindest einem Teil eines Lichtwandlungsgebiets erzeugt wird, und Erzeugen einer Steuerelektrodenstruktur, die mehrere Steuerelektroden oberhalb des ungleichmäßigen Dotierungsprofils zum Lenken lichterzeugter Ladungsträger aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen der Steuerelektrodenstruktur aufweist: Erzeugen mehrerer Steuerelektroden zum Anwenden einer im Wesentlichen stufenweisen elektrischen Potentialverteilung im Lichtwandlungsgebiet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bereitstellen eines ungleichmäßigen Dotierungsprofils aufweist: Bereitstellen einer Dotierungsatome aufweisenden dotierten Schicht in einer Halbleiterschicht, Bereitstellen einer Migration zumindest eines Teils der Dotierungsatome der dotierten Schicht zu einem Gebiet oberhalb der dotierten Schicht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Teil der Dotierungsatome im Bereich zwischen 1% und 30% zum Gebiet oberhalb der dotierten Schicht migriert.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Bereitstellen der dotierten Schicht ferner aufweist: Erzeugen der dotierten Schicht, so dass die dotierte Schicht eine laterale Variation der Nettodotierungskonzentration aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die laterale Variation der Nettodotierungskonzentration in Bezug auf ein Zentrum der Steuerelektrodenstruktur im Wesentlichen symmetrisch ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die laterale Variation der Nettodotierungskonzentration mindestens eine Variation von 30% der maximalen Nettodotierungskonzentration der dotierten Schicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, welches ferner aufweist: Versehen zumindest eines ersten Abschnitts der dotierten Schicht mit im Wesentlichen einer ersten Nettodotierungskonzentration und eines zweiten Abschnitts der dotierten Schicht mit im Wesentlichen einer zweiten Nettodotierungskonzentration, so dass die zweite Nettodotierungskonzentration niedriger ist als die erste Nettodotierungskonzentration.
Verfahren nach Anspruch 8, welches ferner aufweist: Versehen eines dritten Abschnitts der dotierten Schicht mit im Wesentlichen der ersten Nettodotierungskonzentration, wobei der zweite Abschnitt der dotierten Schicht zwischen dem ersten Abschnitt und dem dritten Abschnitt der dotierten Schicht liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der zweite Abschnitt unter einem zentralen Abschnitt der Steuerelektrodenstruktur liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei welchem ferner mindestens eine weitere dotierte Schicht in einer Tiefe, die von der Tiefe der dotierten Schicht verschieden ist, bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei sich die weitere dotierte Schicht in lateraler Richtung zumindest bis über ein definiertes Gebiet hinaus erstreckt, zu dem die lichterzeugten Ladungsträger gelenkt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die zweite Nettodotierungskonzentration im Wesentlichen gleich einer Nettodotierungskonzentration des Lichtwandlungsgebiets ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nettodotierungskonzentration des ungleichmäßigen Dotierungsprofils mit zunehmender Tiefe entlang einer vertikalen Richtung von einer ersten Dotierungskonzentration im Bereich zwischen 10¹² cm^–3 und 10¹⁵ cm^–3 zu einer zweiten Dotierungskonzentration im Bereich zwischen 1,1 × 10¹⁵ cm^–3 und 10²⁰ cm^–3 zunimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ungleichmäßige Dotierungsprofil in Bezug auf eine vordefinierte Ebene spiegelsymmetrisch ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ungleichmäßige Dotierungsprofil so bereitgestellt wird, dass das elektrische Feld vertikale und laterale Feldvektorkomponenten in zumindest einem Teil des Lichtwandlungsgebiets aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Bereitstellen eines ungleichmäßigen Dotierungsprofils ein stufenweises Dotierungsprofil in vertikaler Richtung erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Bereitstellen eines ungleichmäßigen Dotierungsprofils ein gradiertes Dotierungsprofil in vertikaler Richtung erzeugt wird.
Vorrichtung, welche aufweist: ein Halbleitersubstrat, das ein Lichtwandlungsgebiet zum Umwandeln von Licht in lichterzeugte Ladungsträger aufweist, ein Gebiet zum Akkumulieren der lichterzeugten Ladungsträger, eine Steuerelektrodenstruktur mit mehreren Steuerelektroden zum Erzeugen einer Potentialverteilung, so dass die lichterzeugten Träger zu dem Gebiet geleitet werden, um die lichterzeugten Ladungsträger auf der Grundlage an die Steuerelektrodenstruktur angelegter Signale zu akkumulieren, und ein ungleichmäßiges Dotierungsprofil im Halbleitersubstrat, um ein elektrisches Feld mit vertikalen Feldvektorkomponenten in zumindest einem Teil des Lichtwandlungsgebiets zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das ungleichmäßige Dotierungsprofil ein elektrisches Feld zum Lenken lichterzeugter Träger zu einem vordefinierten Abschnitt der Steuerelektrodenstruktur bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei das ungleichmäßige Dotierungsprofil ein elektrisches Feld bereitstellt, so dass lichterzeugte Ladungsträger, die innerhalb eines ersten Tiefenbereichs erzeugt werden, zu dem vordefinierten Abschnitt der Steuerelektrodenstruktur gelenkt werden und die lichterzeugten Ladungsträger, die innerhalb eines zweiten Tiefenbereichs erzeugt werden, von der Steuerelektrodenstruktur fort gelenkt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei das ungleichmäßige Dotierungsprofil eine Variation der Nettodotierungskonzentration aufweist, die im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf ein Zentrum der Steuerelektrodenstruktur ist, so dass das elektrische Feld in Bezug auf eine Ebene durch ein Zentrum der Steuerelektrodenstruktur im Wesentlichen gespiegelt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei der Betrag der vertikalen Komponente des elektrischen Felds mit zunehmender Tiefe zunimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die Vorrichtung dafür ausgelegt ist, auf der Grundlage eines Modulationssignals ein amplitudenmoduliertes Licht zu erzeugen, das zu einem Objekt zu übertragen ist, wobei die Steuerelektrodenstruktur dafür ausgelegt ist, ein elektrisches Signal zu empfangen, das in einer zeitlichen Beziehung mit dem Modulationssignal verknüpft ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei das ungleichmäßige Dotierungsprofil ein elektrisches Feld bereitstellt, das zumindest in einem Teil des Lichtwandlungsgebiets laterale und vertikale Feldvektorkomponenten aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei die Vorrichtung ein weiteres Gebiet zum Akkumulieren der lichterzeugten Ladungsträger aufweist, wobei die Steuerelektrodenstruktur zwischen dem Gebiet zum Akkumulieren der lichterzeugten Ladungsträger und dem weiteren Gebiet zum Akkumulieren der lichterzeugten Ladungsträger angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei das ungleichmäßige Dotierungsprofil ein in vertikaler Richtung gradiertes oder stufenweises Dotierungsprofil ist.
Vorrichtung, welche aufweist: ein Substrat mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche, wobei das Substrat ein Lichtwandlungsgebiet zum Umwandeln einfallenden Lichts in lichterzeugte Ladungsträger aufweist, wobei die Vorrichtung dafür ausgelegt ist, das einfallende Licht an der zweiten Hauptfläche zu empfangen, mindestens ein Gebiet zum Akkumulieren der lichterzeugten Ladungsträger, die sich an der ersten Hauptfläche befinden, eine Steuerelektrodenstruktur, die an der ersten Hauptfläche angeordnet ist, um eine Potentialverteilung im Halbleitersubstrat zu erzeugen, so dass die lichterzeugten Träger auf der Grundlage an die Steuerelektrodenstruktur angelegter Signale zu zumindest einem Gebiet geleitet werden, um die lichterzeugten Ladungsträger zu akkumulieren, und ein Halbleiterdotierungsprofil zum Erzeugen eines elektrischen Felds mit vertikalen Feldvektorkomponenten in zumindest einem Teil des Lichtwandlungsgebiets.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei das Halbleiterdotierungsprofil eine dotierte Schicht mit einer lokal maximalen Nettodotierungskonzentration aufweist, die an der zweiten Hauptfläche angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, welche ferner aufweist: eine weitere dotierte Schicht in einer Tiefe, die von der Tiefe der dotierten Schicht verschieden ist, wobei die Nettodotierungskonzentration der weiteren dotierten Schicht entlang einer lateralen Richtung variiert.