DE102016123037A1

DE102016123037A1 - Optischer Sensor mit zwei Abgriffen für photonen-generierte Elektronen des sichtbaren Lichts und des IR Lichts

Info

Publication number: DE102016123037A1
Application number: DE102016123037.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Gaebler
Original assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Current assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date: 2015-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2017-06-01
Also published as: US10411049B2; US10672808B2; US20190363113A1; US20170154906A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein optischer Sensor, bei dem – von Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und von Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte – Fotoströme getrennt an pn-Übergängen von Aktivregionen abzugreifen sind. Die Aktivregionen sind in einem p-Substrat 52 ausgebildet. Der optische Sensor besitzt eine oberflächennahe, erste Aktivregion 12. Er weist eine unter der ersten Aktivregion 12 liegende, zweite Aktivregion 14 auf, die eine – in die Tiefe des Sensors abfallende – n-Dotierung besitzt und mit der ersten Aktivregion 12 einen pn-Übergang 22 bildet, der kurzgeschlossen ist. Vorgesehen ist eine unter der zweiten Aktivregion 14 liegende dritte Aktivregion 20, die eine zu der zweiten Aktivregion hin abfallende p-Dotierung aufweist, die mit der zweiten Aktivregion einen weiteren pn-Übergang 23 bildet. Sein durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugbarer Fotostrom (als erster Fotostrom) ist an einer ersten Katode 18 abgreifbar. Mit einer unter der dritten Aktivregion 20 liegenden vierten Aktivregion 24 wird mit der dritten Aktivregion 20 und dem Substrat 52 ein weiterer pn-Übergang 25, 29 gebildet, dessen Fotostrom (als zweiter Fotostrom) an einer zweiten, elektrisch getrennten Katode 28 abgreifbar ist. Die vierte Aktivregion 24 besitzt eine in die Tiefe des optischen Sensors abfallende n-Dotierung. Der zweite Fotostrom wird durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugt. Eine Anschlussregion 44 verbindet eine Anode 40 mit dem p-Substrat 52. Das p-Substrat 52 umgibt die Aktivregionen 12, 14, 20, 24. Hauptsächlich ist Fotostrom, der durch foto-generierte Elektronen des (menschlichen) sichtbaren Lichts erzeugt wird, zur ersten Katode gespeist. Separat ist auch ein Fotostrom erzeugbar, der durch fotogenerierte Elektronen des unsichtbaren Infrarotlichts an einer von der ersten Katode 18 unabhängigen zweiten Katode 28 erhältlich ist.

Description

Die Offenbarung betrifft optische Sensoren. Durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotoströme können getrennt an pn-Übergängen von in einem p-Substrat ausgebildeten Aktivregionen abgegriffen werden.
Für die Regelung von Leuchten und Displays in Abhängigkeit von der Umgebungshelligkeit werden Sensoren benötigt die das Helligkeitsempfinden des menschlichen Auges nachbilden.
Darüber hinaus werden einige Displays auch abgeschaltet, sobald ein Gegenstand dem Gerät mit dem Display zu nahe kommt, wenn beispielsweise ein Handy an das Ohr oder in die Tasche eines Benutzers gebracht wird. Das Display soll auch abgeschaltet werden, wenn ein Benutzer von dem Gerät mit dem Display zu weit entfernt ist, beispielsweise, wenn der Benutzer sich vom Arbeitsplatz entfernt und der Monitor als Display nicht mehr betrachtet wird. Diese Nahwirkungs-Funktion wird zumeist durch eine Infrarot-LED in Verbindung mit einer Fotodiode realisiert, wobei die Fotodiode den reflektierten IR-Lichtanteil eines Gegenstands detektiert und somit anhand des Fotostroms nachvollzogen werden kann, ob ein Gegenstand in der Nähe des Sensors ist.
Da das menschliche Auge sowohl für kurzwellige (< 400nm Wellenlänge) als auch für langwellige (> 780nm) Strahlung unempfindlich ist, wohingegen ein idealer Silizium-pn-Übergang für alle Wellenlängen kleiner der Siliziumbandlücke (1,2eV = 1100nm) empfindlich ist, muss dafür gesorgt werden, dass die photonen- oder fotogenerierten Elektronen sowohl kurzer als auch langer Wellenlängen nicht von dem Sensor erfasst werden.
US 8,274,587 B2 (von Aptina) befasst sich mit Farblichterfassung, indes ohne Filter, die als für die Empfindlichkeit nachteilig beschrieben werden. US 9,019,251 B2 (von NXP) befasst sich mit der Lichterfassung durch zwei verschiedene Sensoren, die unterschiedliche Wellenlängen des Umgebungslichts erfassen, wobei die beiden Fotoströme nichtlinear kombiniert werden. Der nicht gegebene "Gleichlauf" der Empfindlichkeit eines Siliziumauges und einer menschlichen Auges wird angesprochen, dort Absatz [04].
Die Erfindung steht vor der Aufgabe, einen Sensor vorzuschlagen, der hauptsächlich den Fotostrom liefert, der durch fotogenerierte Elektronen des (menschlich) sichtbaren Lichts erzeugt wird, indes einen Fotostrom, der durch fotogenerierte Elektronen des unsichtbaren Infrarotlichts erzeugt wird, separat erhältlich anbietet, ohne dabei auf mehrere nebeneinander angeordnete optische Sensorelemente und/oder zwei spektral unterschiedlich entstandene Fotoströme (eine Verrechnung dieser) zurückzugreifen.
Dies erfüllt ein optischer Sensor nach einer ersten Erfindung (Anspruch 1), wobei durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotoströme getrennt an pn-Übergängen von in einem p-Substrat ausgebildeten Aktivregionen abzugreifen sind.
Bei dem beanspruchten optischen Sensor (Anspruch 1) werden die Fotoströme in positiver Flussrichtung zur Verfügung gestellt. Es können jedoch ebenso sämtliche umschriebenen Dotierungen nach ihrer Art invertiert werden (p-Dotierung statt n und n-Dotierung statt p), so dass der Sensor negative Fotoströme liefert (Anspruch 20). Die Erfindungen sind dabei nicht auf Silizium als Werkstoff des optischen Sensors beschränkt; auch andere Materialien, beispielsweise GaAs oder andere Halbleiter, können bei der Implementierung verwendet werden.
Der optische Sensor (Anspruch 1) besitzt eine oberflächennahe, erste Aktivregion, die eine hohe, in die Tiefe des Sensors abfallende p+ Dotierung aufweist und eine unter der ersten Aktivregion liegende zweite Aktivregion, die eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit der ersten Aktivregion einen ersten pn-Übergang bildet. Der erste pn-Übergang ist kurzgeschlossen.
Eine unter der zweiten Aktivregion liegende dritte Aktivregion ist vorgesehen, die eine zu der zweiten Aktivregion hin abfallende p-Dotierung aufweist und mit der zweiten Aktivregion einen zweiten pn-Übergang bildet, dessen – durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugter – Fotostrom an einer ersten Katode, zB. einem Kontakt der Katode, ansteht und hier abgreifbar ist.
Eine unter der dritten Aktivregion liegende vierte Aktivregion ist vorgesehen, die eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit der dritten Aktivregion und dem Substrat einen dritten pn-Übergang bildet, dessen – durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugter – Fotostrom an einer zweiten Katode, zB. einem Kontakt der zweiten Katode, ansteht und hier abgreifbar ist. Eine Anode, die z.B. eine Anschlussregion aufweist, ist mit dem – die Aktivregionen umgebenden p-Substrat – verbunden. Auch mit dem Substrat bildet die vierte Aktivregion einen (vierten) pn-Übergang, der potentialmässig dem dritten pn-Übergang parallel geschaltet ist und seinen Fotostrom auch an die zweite Katode zu liefern vermag. Es bildet sich so um die n dotierte vierte Aktivregion ein erweiterter pn-Übergang, der mit zwei Fotodioden repräsentiert werden kann (Anspruch 2, 16), eine zur dritten Aktivregion (dritte pn-Übergang) und eine zum umgebenden p-Substrat (vierte pn-Übergang. Diese Regionen (vierte Aktivregion und Substrat) liegen auf gleichem Potential (Anspruch 17), das an die Anode gekoppelt werden kann oder wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensor werden die spektralen Eigenschaften der zwei Ströme über entsprechend gestaltete Dotierungsverläufe erzielt, d.h. zwei Ströme als der durch/über die erste Katode, insbesondere durch einen ersten Kontakt der ersten Katode, an dem zweiten pn-Übergang abgegriffene Strom und der durch/über die zweite Katode, insbesondere durch einen zweiten Kontakt der zweiten Katode an dem dritten pn-Übergang abgegriffene Strom. Diese werden als Verlauf einer Dotierungskonzentration angesehen, so dass der Begriff "Dotierung" in Anspruch 1, auch in A7 und A9, als Dotierungskonzentration verstanden werden sollte.
Durch den oberflächennah angeordneten, ersten pn-Übergang wird erreicht, dass der Fotostrom der oberflächennah absorbierten Photonen gelöscht wird. Aufgrund der Absorptionseigenschaften von Silizium ist dies gleichbedeutend mit der Unterdrückung aller kurzwelligen fotogenerierten Ladungsträger.
Der erste pn-Übergang hat aufgrund der hohen Dotierungskonzentration lediglich eine geringe Verarmungsweite und dadurch nur eine geringe Einfangtiefe für fotogenerierte (vom Licht veranlasste) Ladungsträger. Da das Dotierprofil (Profil der Dotierungskonzentration) des ersten n-Dotiergebietes in die Tiefe hin abfällt, werden nur Ladungsträger oberhalb der unteren Verarmungskante des ersten pn-Übergangs in Fotostrom umgesetzt.
Es ist damit sichergestellt, dass Elektron-Loch-Paare von Photonen, die oberhalb dieser Kante absorbiert werden, entweder direkt rekombinieren oder, wenn sie in den Bereich der Verarmungszone gelangen, durch den Kurzschluss des ersten pn-Überganges eliminiert werden. Über die Tiefe des pn-Übergangs in Verbindung mit dem Dotierprofil und der Verarmungszonenweite in der ersten Aktivregion wird die untere Grenze der zur Detektion verbleibenden Ladungsträger eingestellt.
Der zweite pn-Übergang sammelt Photonen des sichtbaren Spektrums. Da im Bereich des ersten pn-Übergangs bereits alle kurzwelligen Photonen absorbiert wurden, werden im zweiten pn-Übergang die sichtbaren und langwelligen Photonen absorbiert, die eine größere Eindringtiefe in bspw. Silizium oder andere Halbleiter haben.
In die Tiefe des dritten (und des vierten) pn-Übergangs dringen die langwelligen Photonen vor, da die höher-energetischen Photonen bereits absorbiert sind. Der dritte und vierte pn-Übergang sammelt alle Ladungsträger, die während ihrer Lebensdauer in den Bereich seiner Verarmungszone gelangen. Durch die genannten Dotierungsverläufe und die Anordnung der gestapelten pn-Übergänge können die gewünschten Fotoströme aus den n-Gebieten entnommen werden (sie sind dort abgreifbar, als positiver Fotostrom).
Das fallende Dotierprofil der zweiten Aktivregion sorgt dafür, dass die generierten Ladungsträger durch ein kleines elektrisches Feld eine gerichtete Bewegung zum zweiten pn-Übergang ausführen. Dies erbringt eine hohe Sammeleffizienz, auch wenn die Verarmungszone des zweiten pn-Übergangs nicht so weit ist wie die Eindringtiefe der sichtbaren Photonen.
Das gilt auch für das – dem pn-Übergang zugewendete – fallende Dotierprofil der dritten Aktivregion. Die Ladungsträger, die ab diesem Punkt noch generiert werden, rekombinieren oder werden in den zwei darunter liegenden pn-Übergängen eingesammelt. Sie stehen als Fotostrom an der zweiten Katode zur Verfügung, insbesondere an einem zugehörigen (elektrische leitenden) Kontakt davon.
Bei einer Konkretisierung der Erfindung ist eine – die erste Aktivregion wenigstens teilweise überdeckende – Polysiliziumschicht vorgesehen, die gegenüber den Aktivregionen des Sensors isoliert ist (Anspruch 3). Sie kann den ersten pn-Übergang ersetzen, oder kumulativ zum ihm vorgesehen sein.
Bei einer weiteren Konkretisierung der Erfindung überdeckt die Polysiliziumschicht, die gegenüber den Aktivregionen des Sensors isoliert ist, die erste Aktivregion vollständig.
Bei einer weiteren Konkretisierung der Erfindung ist die Polysiliziumschicht eine – die erste Aktivregion durchgehend überdeckende – Polysiliziumschicht, die gegenüber den Aktivregionen des Sensors isoliert ist.
Durch die vorstehend genannte Polysiliziumschicht kann vorteilhaft die Grenze der Wellenlänge der Photonen beeinflusst werden, unterhalb der die Photonen absorbiert werden und nicht zu dem Fotostrom beitragen.
Bei einer weiteren Konkretisierung der Erfindung liegt der erste pn-Übergang bei 0,2µm bis 0,5µm, gemessen von der Oberseite (der Oberfläche) des aktiven Abschnitts des Sensors (Anspruch 5).
Bei einer weiteren Konkretisierung der Erfindung (Anspruch 6) liegt die Spitzen-Dotierkonzentration des Dotierprofils der dritten Aktivregion bei 3µm bis 5µm und definiert eine Grenze für den Anteil der sichtbaren Photonen, unterhalb welcher der Anteil der sichtbaren Photonen vernachlässigbar ist.
Nach einer anderen Erfindung (Anspruch 7) umfasst ein optischer Sensor, bei dem durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotoströme getrennt an pn-Übergängen von in einem p-Substrat ausgebildeten Aktivregionen abzugreifen sind, eine durchgehend angeordnete Polysiliziumschicht, die gegenüber einer Aktivregion isoliert ist, die unter der Polysiliziumschicht liegt und eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist. Eine solche Polysiliziumschicht ist in jedem CMOS-Prozess als Gate-Ebene vorhanden.
Eine unter der Aktivregion liegende weitere Aktivregion ist vorgesehen, die eine zu der Aktivregion hin abfallende p-Dotierung aufweist und mit der Aktivregion einen pn-Übergang bildet, dessen durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugter Fotostrom an einer ersten Katode, insbesondere an einem ersten (elektrisch leitfähigen) Kontakt als Anteil der ersten Katode, ansteht (und damit abgreifbar ist).
Unter der weiteren Aktivregion liegt eine noch weitere Aktivregion, die eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit dem p-Substrat einen pn-Übergang bildet, dessen durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugter Fotostrom an einer zweiten Katode, insbesondere an einem (elektrisch leitfähigen) zweiten Kontakt als Anteil der zweiten Katode, abgreifbar ist.
Dies insbesondere unabhängig von dem – in dem pn-Übergang zwischen der Aktivregion und der weiteren Aktivregion erzeugten – Fotostrom (Anspruch 15).
Eine Anode ist über eine Anschlussregion als Anteil der Anode mit dem die Aktivregionen umgebenden p-Substrat verbunden (Anspruch 7, 14).
Der pn Übergang zwischen der noch weiteren Aktivregion und dem p Substrat, in dem die noch weitere Aktivregion eingebettet ist, und der zwischen den beiden unteren Aktivregionen gebildete pn-Übergang können elektrisch parallel geschaltet sein (Anspruch 8).
Wird die genannte Polysiliziumschicht über den lichtempfindlichen Bereich des Sensors gelegt, ergibt sich eine Verschiebung der kurzwelligen Unterdrückungswellenlängen ins Sichtbare, da die hochenergetischen Photonen anteilsmäßig bereits in dieser Schicht absorbiert werden und da diese Schicht durch das Gateoxid elektrisch vom Silizium des Sensors getrennt ist, können die so generierten Ladungsträger nicht zum Fotostrom beitragen.
Dadurch kann der kurzwellige Anteil der Photonen verstärkt ausgeblendet werden. Eine Polysiliziumschicht mit einer Dicke von 100nm bis 300nm ist gut angepasst und geeignet, den UV-Anteil des einfallenden Lichtes zu absorbieren.
Nach einer dritten Erfindung (Anspruch 9) umfasst ein optischer Sensor, bei dem durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotoströme getrennt an pn-Übergängen von in einem p-Substrat ausgebildeten Aktivregionen abzugreifen sind, eine oberflächennahe, erste Aktivregion, die p-Dotierung aufweist; eine unter der ersten Aktivregion liegende zweite Aktivregion, die eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit der ersten Aktivregion einen ersten pn-Übergang bildet, der kurzgeschlossen ist.
Vorgesehen ist auch eine unter der zweiten Aktivregion liegende dritte Aktivregion, die eine zu der zweiten Aktivregion hin abfallende p-Dotierung aufweist und mit der zweiten Aktivregion einen zweiten pn-Übergang bildet, dessen durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugter Fotostrom an einer ersten Katode, insbesondere an einem zugehörigen (elektrisch leitfähigen) Kontakt als Abschnitt oder Bereich der ersten Katode, abgreifbar ist.
Unter der dritten Aktivregion liegt eine vierte Aktivregion, die eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit der dritten Aktivregion einen pn-Übergang bildet, dessen durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugter Fotostrom an einer zweiten Katode. Ebenso ist zwischen der vierten Aktivregion und dem Substrat, in dem die vierte Aktivregion eingebettet ist ein pn-Übergang vorhanden, dessen – durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugter – Fotostrom auch mit dem Fotostrom des dritten pn-Übergangs ansteht (und damit abgreifbar ist).
Der Fotostrom der beiden zuletzt genannten pn-Übergänge ist insbesondere unabhängig von dem Fotostrom des zweiten pn-Übergangs abgreifbar, insbesondere auch an einem Kontaktbereich als Abschnitt oder Bereich der zweiten Katode (Anspruch 11 und 12).
Der dritte und vierte pn-Übergang können elektrisch parallel geschaltet sein und bilden zwei Abschnitte oder Bereiche einer Fotodiode (Anspruch 10). Besonders der vierte pn-Übergang sammelt die langwelligen IR Photonen und setzt sie in Elektronen um. Der dritte pn-Übergang ist dagegen in seinem Sammler-Einfluss von geringerer Bedeutung.
Es ist eine Anode vorgesehen (Anspruch 9), die über eine zugehörige Anschlussregion (Anspruch 14) mit dem – die Aktivregionen umgebenden – p-Substrat verbunden ist, wobei die oberflächennahe, erste Aktivregion eine Dotierung besitzt, die der Dotierung der Anschlussregion entspricht.
Die Erfindungen sind nicht auf Silizium als Werkstoff des optischen Sensors beschränkt. Auch andere Materialien, beispielsweise GaAs oder andere Halbleiter, können bei der Implementierung verwendet werden.
Bei den beanspruchten optischen Sensoren (Anspruch 1, 7 oder 9) können die Fotoströme in positiver Flussrichtung zur Verfügung gestellt werden, es können jedoch sämtliche beschriebenen Dotierungen auch invertiert werden, sodass der Sensor negative Fotoströme liefert (Anspruch 20, 21).
Der Optischer Sensor, bei dem durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotoströme getrennt an pn-Übergängen von Aktivregionen abgreifbar sind, die in einem Substrat (52) ausgebildet sind, hat eine oberflächennahe Aktivregion mit einer ersten Dotierungsart.
In einem oberflächennahen Bereich werden kurzwellige Photonen nahezu absorbiert, zumindest aber so gesperrt, dass diese kurzwelligen (hochenergetischen) Photonen keine Fotoströme erzeugen können. Dies erreichen alternativ eine kurzgeschlossene Fotodiode oder eine kurzwellige Photonen beeinflussende Deckschicht.

(a) eine unter der Aktivregion (12) liegende zweite Aktivregion (14), die eine in die Tiefe des Sensors abfallende, gegensätzliche Dotierungsart aufweist und mit der ersten Aktivregion (12) einen – insbesondere kurzgeschlossenen – ersten pn-Übergang (22) bildet, der kurzgeschlossen wird;

(b) eine optische wirkende Deckschicht, die gegenüber der Aktivregion (12) isoliert ist, die unter der Polysiliziumschicht liegt und kurzwellige Photonen absorbiert, so dass diese nicht zu Fotoströmen beitragen können, insbesondere ausgebildet nach Anspruch 21 oder Anspruch 22.

Der IR Wellenlängenbereich wird in einem tief liegenden Gebiet erfasst und in einen Fotostrom umgesetzt. Dazu werten zwei tiefe pn-Übergänge gebildet.
Eine unter der dritten Aktivregion liegende vierte Aktivregion, die eine in die Tiefe des Sensors abfallende, der zweiten Aktivregion entsprechende Dotierungsart aufweist bildet mit der dritten Aktivregion und dem Substrat einen dritten pn-Übergang (25, 29), der zwei in unterschiedlicher Tiefe liegende Abschnitte aufweist. Der pn-Übergang ist mit einer zweiten, von der ersten Katode (18) elektrisch getrennten Katode (28) leitfähig verbunden, um den – durch das Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich an dem dritten pn-Übergang erzeugbaren – Fotostrom an der zweiten Katode (28) abgreifbar zu machen.
Das sichtbare Licht wird als Fotostrom so ausgekoppelt, wie in den zuvor umschriebenen Erfindungen (Anspruch 1, 7, 9).
Schließlich wird das Problem nach einer noch weiteren Erfindung (Anspruch 23) gelöst, wobei durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotoströme getrennt an pn-Übergängen von in einem p-Substrat ausgebildeten Aktivregionen abzugreifen sind. Der optische Sensor besitzt eine oberflächennahe, erste Aktivregion, die eine hohe, in die Tiefe des Sensors abfallende p+ Dotierung aufweist und eine unter der ersten Aktivregion liegende zweite Aktivregion, die eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit der ersten Aktivregion einen ersten pn-Übergang bildet. Der erste pn-Übergang ist kurzgeschlossen. Eine unter der zweiten Aktivregion liegende dritte Aktivregion ist vorgesehen, die eine zu der zweiten Aktivregion hin abfallende p-Dotierung aufweist und mit der zweiten Aktivregion einen zweiten pn-Übergang bildet, dessen – durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugter – Fotostrom an einer ersten Katode ansteht. Eine unter der dritten Aktivregion liegende vierte Aktivregion ist vorgesehen, die eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit der dritten Aktivregion einen dritten pn-Übergang bildet, dessen – durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugter – Fotostrom an einer zweiten Katode ansteht und hier abgreifbar ist. Eine Anode ist über eine Anschlussregion mit dem – die Aktivregionen umgebenden p-Substrat – verbunden.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensor werden die spektralen Eigenschaften der zwei Katodenströme über entsprechend gestaltete Dotierungsverläufe erzielt.
Durch den oberflächennah angeordneten, ersten pn-Übergang wird erreicht, dass der Fotostrom der oberflächennah absorbierten Photonen gelöscht wird. Aufgrund der Absorptionseigenschaften von Silizium ist dies gleichbedeutend mit der Unterdrückung aller kurzwelligen fotogenerierten Ladungsträger.
Die dritte Aktivregion bildet mit der zweiten Aktivregion den dritten pn-Übergang, dessen durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugter Fotostrom an der zweiten Katode ansteht. ... Da die vierte Aktivregion in dem angrenzenden p-Substrat eingebettet ist (Anspruch 24), wird zwischen der vierten Aktivregion in dem p-Substrat ein vierter pn-Übergang gebildet, dessen durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugter Fotostrom ebenfalls an der zweiten Katode ansteht.
Die Erfindung wird anhand von Beispielen dargestellt und nicht auf eine Weise, mit der Beschränkungen aus den Figuren in die Patentansprüche hineingelesen werden. Beispiele bleiben Beispiele, auch wenn nicht vor jedem Satz ein "beispielweise" auftaucht. Dieses möge bitte in verständiger Lesart des angesprochenen Fachmanns mitgelesen werden.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren geben gleiche oder zumindest ähnliche Elemente an.
1 ist ein senkrechter Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des optischen Sensors.
2 sind Dotierverläufe, die sich in getrennten Tiefenbereichen I, II und III des Sensors nach 1 ergeben.
3 sind mehrere Kurven des Ansprechverhaltens (A/W über der Wellenlänge λ) des Sensors nach 1.
4 zeigt einen senkrechten Schnitt durch ein zweites Beispiel des optischen Sensors mit einer durchgehenden Polysiliziumschicht 60 (Poly) an seiner Oberfläche.
5 sind Kurven Katode 1, Katode 2 und Anode, im Vergleich zum Verlauf der Empfindlichkeit des menschlichen Auges, im Ansprechverhalten des Sensors nach 4.
6 ist ein senkrechter Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel des Sensors mit einem p-dotierten Bereich 62 an seiner Oberfläche,
7 sind Kurven des Ansprechverhaltens des Sensors nach 6.
8 veranschaulicht einen senkrechten Schnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel des Sensors mit einer Polysiliziumschicht 36 an seiner Oberfläche.
9 sind alle Kurven des unterschiedlichen Ansprechverhaltens der Sensoren nach den vorigen Figuren.
10 ist eine verdeutlichte Fassung der 2 mit einer Angabe der Tiefenlagen der pn-Übergänge.
11 ist ein elektrisches ESB der Diodenkonfiguration der gestapelten pn-Übergänge.
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des optischen Sensors. Dieser Sensor soll am Beispiel eines im CMOS Prozess gefertigten Bauelementes erläutert werden.
Dazu wird zuerst der Aufbau des Sensors der 1 dargelegt.
Der Sensor umfasst an seiner Oberseite eine Si₃N₄ Passivierungsschicht 2, darunter zumindest eine oder mehrere Deckschicht(en) 4, und darunter eine Metallisierungsschicht, die eine Abschirmung 6 gegen Strahlungseinfall auf den darunter liegenden aktiven Teil des Sensors bildet. Die Abschirmung 6 hat eine Eintrittsöffnung 8 für einfallendes Licht. Unter der Abschirmung 6 liegt eine Verdrahtungsschicht 10, welche Zuleitungen zu den Aktivregionen des Sensors enthält.
Das durch die Eintrittsöffnung 8 in den Sensor eindringende Licht trifft auf eine erste Aktivregion 12 mit p+ Dotierung auf, die als großflächiges PIMP Implantationsgebiet ausgebildet ist. Die Dotierung des PIMP Implantationsgebiets 52 liegt deutlich (3 bis 7 Größenordnungen) höher als die Dotierung des p-Substrats.
Unter der ersten Aktivregion 12 ist eine zweite Aktivregion 14 als NWell-Region ausgebildet, die über einen n+ Anschlussring 16, der die ersten Aktivregion 12 umgibt, an einen ersten Kontakt 18 angeschlossen ist, der (als ein Katodenbereich) Teil einer ersten Katode mit damit verbundenen n-dotierten Gebieten ist. Der n+ Anschlussring 16 besteht beispielsweise aus Silizid. Die erste Aktivregion 12 und die zweite Aktivregion 14 sind somit am Rand über den n+ Anschlussring 16 durch einen ohmschen Kontakt verbunden und zu dem ersten Kontakt 18 als Teil der ersten Katode nach außen geführt.
Im Folgenden werden der erste Kontakt 18 und der Begriff erste Katode synonym verwendet und mit dem gleichen Bezugszeichen benannt.
Zwischen der ersten Aktivregion 12 und der zweiten Aktivregion 14 liegt damit ein erster pn-Übergang 22, der kurzgeschlossen ist. Hier ist auf 10 zu verweisen, am ersten Schnittpunkt des PIMP Dotierungsverlaufs mit dem NWell-Verlauf (links oben im Bild, in geringer Tiefe).
Unter der zweiten Aktivregion 14 liegt eine dritte Aktivregion 20 als DPWell-Region, also als tiefe p-Wanne, die mit der zweiten Aktivregion 14 einen zweiten pn-Übergang 23 bildet. Auch hier ist auf 10 zu verweisen, am zweiten Schnittpunkt, hier dem NWell-Dotierungsverlauf mit dem DPWell-Dotierungsverlauf (in größerer Tiefe als Diode 22).
Unter der Aktivregion 20 liegt eine Aktivregion 24 als TNWell-Region (tail NWell-Region = auslaufende NWell-Region), die über eine NWell-Anschlussregion 26 mit einem zweiten Kontakt 28 verbunden ist, der mit den damit verbundenen n-dotierten Gebieten eine zweite Katode bildet, die im Weiteren mit dem gleichen Bezugszeichen wie der Kontakt 28 bezeichnet wird.
Die Aktivregion 20 bildet mit der Aktivregion 24 einen pn-Übergang 25, dessen durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugter Fotostrom an der zweiten Katode 28 ansteht. Auch mit dem Substrat 52 bildet die Aktivregion 24 einen pn-Übergang 29, der potentialmässig dem pn-Übergang 25 parallel geschaltet ist und seinen Fotostrom auch an die zweite Katode 28 liefert. Auch hier ist auf 10 zu verweisen, am dritten und vierten Schnittpunkt, dem NWell-Dotierungsverlauf mit PSub (Bildung der Diode 29) und dem DPWell-Dotierungsverlauf (Bildung der Diode 25), beide in größerer Tiefe als Diode 23.
Die NWell-Anschlussregion 26 umfängt die Aktivregion 14 und stellt durch regelmäßige verteilte Kontaktflächen den Kontakt zur der Aktivregion 24 her. Die Aktivregion 24 ist somit nicht umlaufend über die NWell-Anschlussregion 26 angeschlossen, sondern nur punktuell.
Die punktuellen Kontaktgebiete 24/26 dienen dazu, eine direkte Verbindung von der Aktivregion 20 zu dem umliegenden p-Substrat PSub 52 bereit zu stellen (dort nicht sichtbar). Die Dotierung der Aktivregion 20 ist an den Kontaktflächen der NWell-Anschlussregion 26 ausgeblendet, um den Kontakt zwischen der NWell-Anschlussregion 26 und der Aktivregion 24 aufrecht zu erhalten. Die Unterbrechung(en) der Region 26 (ist ein n-Gebiet) ermöglicht es, dass die Region 20 (ist ein p-Gebiet) in einen direkten Kontakt zum Gebiet 52 (Substrat auch ein p-Gebiet) kommt. Hier entsteht ein gleiches Potential von Gebieten 20 und 52.
Die Aktivregion 24 ist über einen n+ Anschlussring 32 mit der zweiten Katode 28 verbunden. Die Aktivregion 14 und die NWell-Anschlussregion 26 sind durch eine PWell-Region 34 voneinander isoliert.
Da die Aktivregion 24 in dem angrenzenden p-Substrat 52 eingebettet ist, wird zwischen der Aktivregion 24 und dem p-Substrat der pn-Übergang 29 gebildet, dessen durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugter Fotostrom ebenfalls an der zweiten Katode 28 ansteht. Die pn-Übergänge 25 und 29 sind elektrisch wie oben beschrieben parallel geschaltet, da das Gebiet 20 auf gleichem Potential liegt wie das Substrat 52 (aufgrund der nur punktuellen Kontaktgebiete 24/26 und des damit möglichen direkten Kontakts der Gebiete 20 und 52).
Eine Polysiliziumschicht 36 überdeckt die erste Aktivregion 12 wenigstens teilweise und ist gegenüber den Aktivregionen des Sensors, insbesondere gegenüber der ersten Aktivregion 12 und der n+ Anschlussregion 16 durch eine Oxidschicht 37 isoliert. Die Polysiliziumschicht 36 hat nur an einigen Punkten eine Verbindung zwischen einem äußeren Bereich, an dem die Polysiliziumschicht 36 über einen Kontakt 38 angeschlossen ist, und einem inneren Bereich über der ersten Aktivregion 12, damit der Kontakt zu entsprechenden n-Regionen hergestellt werden kann, ohne einen Kurzschluss mit der Polysiliziumschicht 36 zu bilden.
Der Sensor hat des Weiteren eine Anode mit einem Kontakt 40, der über einen p+ Anschlussring 42 angeschlossen ist, der den Kontakt zu einer in das p-Substrat eingebetteten PWell-Anschlussregion 44 herstellt und damit den Substratkontakt sicherstellt. Im Folgenden sind die Anode und ihr (elektrisch leitender) Kontakt mit gleichen Bezugszeichen 40 benannt.
Eine fünfte Aktivregion 46 und 46a als NWell – TNWell-Region umschließt die gesamte aktive Struktur des Sensors und dient der Abschirmung gegenüber außen liegenden Einflüssen. Hier ist ein NIMP Dotiergebiet von einem NWell – TNWell Dotiergebiet eingefasst, wodurch ein möglichst tief reichender pn-Übergang erzeugt wird.
Die fünfte Aktivregion 46 ist über einen n+ Anschlussring 48 mit einer Abschirmungselektrode 50 verbunden.
Die beschriebenen Aktivregionen sind in das p-Substrat (PSub) 52 eingebettet.
Schließlich sind zwischen den Anschlussringen 16, 32, 42, 48 der Aktivregionen zur Isolation Graben-Isolationen 54, 56, 58 (STI = shallow trench isolation) angeordnet.
Bei dem Sensor nach dem ersten Ausführungsbeispiel werden die Fotoströme in positiver Flussrichtung zur Verfügung gestellt. Es können jedoch sämtliche beschriebenen Dotierungen auch invertiert werden, sodass der Sensor dann ausschließlich negative Fotoströme liefert.
Im Folgenden werden die Schritte zur Herstellung des Sensors nach dem ersten Ausführungsbeispiel im CMOS Prozess erläutert.
Zuerst wird die tiefste TNWell-Implantation vorgenommen. Dadurch wird das vierte oder unterste Aktivgebiet 24 gebildet. Diese TNWell-Implantation wird beispielsweise mit Phosphor bei einer Energie von einigen MeV und einem 0° Implantationswinkel durchgeführt, damit sie aufgrund des Channeling-Effekts ausreichend tief eindringt und einen pn-Übergang unterhalb 5,5µm Tiefe in einem p-dotierten Substrat (als Wafer) mit einer Dotierkonzentration von 2e¹⁵ erzeugt.
Als nächstes wird die dritte oder tiefe Aktivregion 20, die DPWell, erzeugt. Diese wird in mehreren Implantationsschritten ausgeführt, da zum einen die Spitzen-Konzentration möglichst tief im Silizium liegen soll und zum anderen der Dotierkonzentrationsverlauf stetig zum zweiten oder nächst höheren pn-Übergang 23 abfallen soll. Dabei soll eine Dotierkonzentration in der dritten Aktivregion 20 über der Dotierkonzentration in der vierten Aktivregion 24 liegt, um nicht einen ungewollten pn-Übergang zu bilden, der sich oberhalb des pn-Übergangs bilden könnte.
An diese tiefen Implantationen schließen sich flachere Implantationen an, um die Aktivregionen zu vervollständigen. Es können die im jeweiligen CMOS Prozess vorhandenen N-Well und PIMP Implantationen Verwendung finden, sofern die N-Well 14 mindestens eine Tiefe von 1,5µm erreicht und der PIMP pn-Übergang zur N-Well oberhalb von 0.5µm Tiefe liegt.
Der Sensor ist weitgehend symmetrisch aufgebaut. Er kann im Prinzip jegliche Form annehmen, bevorzugt ist jedoch eine runde oder viereckige Form mit angefasten Ecken (Achteck), aufgrund der geringeren Leckströme.
2 zeigt Beispiele von Dotierverläufen, die sich in getrennten Tiefenbereichen des Sensors ergeben. In 2 zeigen die Kurve PIMP den Dotierverlauf der Implantation der ersten Aktivregion, die Kurve NWell den Dotierverlauf der Implantation der zweiten Aktivregion, die Kurve DPWell den Dotierverlauf der Implantation der dritten Aktivregion, die Kurve TNWell den Dotierverlauf der Implantation der vierten Aktivregion und die Kurve PSub die Dotierung des Substrats (Wafer). Die Dotierverläufe sind in drei Höhen-Bereichen gezeigt, in denen Licht unterschiedlicher Wellenlänge in Fotoströme umgesetzt wird.
Das kurzwellige Licht mit Wellenlängen kleiner als etwa 425nm wird in dem ersten Bereich I umgesetzt. Das sichtbare Licht mit Wellenlängen zwischen 450nm und 675nm wird in dem zweiten Tiefenbereich II umgesetzt, während das langwellige Licht mit Wellenlängen größer als etwa 675nm in dem dritten Tiefenbereich III umgesetzt wird.
Wie aus 2 ersichtlich ist, ist hat die erste Aktivregion 12 eine in die Tiefe des Sensors abfallende p+ Dotierung. Die zweite Aktivregion hat eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung. Die dritte Aktivregion hat eine von ihrem Spitzenwert zu der zweiten Aktivregion hin abfallende p-Dotierung. Die vierte Aktivregion hat wiederum eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung. Wie aus 2 auch ersichtlich ist, liegt die Dotierungskonzentration der vierten Aktivregion 24 in dem zweiten Tiefenbereich II unterhalb der Dotierungskonzentration in der dritten Aktivregion 20, um einen pn-Übergang zu vermeiden, der sich bei umgekehrter Dotierungskonzentration ergeben würde.
3 zeigt das gemessene spektrale Ansprechverhalten oder die Response eines Sensors nach dem ersten Ausführungsbeispiel.
Es sind die an dem ersten Kontakt (der ersten Katode 18), in der Figur als Kathode 1 bezeichnet, an dem zweiten Kontakt (der zweiten Katode 28), in der Figur als Kathode 2 bezeichnet, und dem Kontakt (der Anode 40), in der Figur als Anode bezeichnet, gemessenen Fotoströme sowie zum Vergleich die Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges dargestellt.
Es ist aus der Darstellung ersichtlich, dass an dem ersten Kontakt bzw. der ersten Katode 18 überwiegend der von Photonen im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugte Fotostrom, und an dem zweiten Kontakt bzw. Katode 28 überwiegend der von Photonen im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotostrom abgegriffen wird. Die Photonen im Wellenlängenbereich unterhalb 425nm werden vollständig unterdrückt und ergeben keinen messbaren Fotostrom.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensors. Der Sensor des zweiten Ausführungsbeispiels hat weitgehend die gleiche Struktur wie der Sensor des ersten Ausführungsbeispiels, weshalb die übereinstimmenden Merkmale in 1 und 4 die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht erneut beschrieben werden.
Der Sensor dieses Beispiels unterscheidet sich von dem Sensor des ersten Beispiels dadurch, dass über der oberflächennahen, ersten Aktivregion 12, eine elektrisch von den Aktivregionen des Sensors 12, beispielsweise durch eine Isolierschicht 61 (als Gateoxid) isolierte, nicht silizierte Polysiliziumschicht 60 (als "Poly" benannt) angeordnet ist.
5 zeigt das gemessene spektrale Ansprechverhalten oder die Response eines Sensors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel in einer der 3 entsprechenden Darstellung, wobei der Einfluss einer über die erste Aktivregion 12 gelegten, nicht silizierten Poly-Schicht von 200nm Dicke gezeigt wird.
Es ist auch aus dieser Darstellung ersichtlich, dass an dem ersten Kontakt 18 und damit an beliebiger Stelle der ersten Katode 18 überwiegend der von Photonen im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugte Fotostrom, und an dem zweiten Kontakt 28 und damit an beliebiger Stelle der zweiten Katode 28 überwiegend der von Photonen im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotostrom abgegriffen wird. Die Photonen im Wellenlängenbereich unterhalb 425nm werden vollständig unterdrückt und ergeben keinen messbaren Fotostrom.
6 zeigt einen Sensor in einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Sensor des dritten Ausführungsbeispiels hat weitgehend die gleiche Struktur wie der Sensor des ersten Ausführungsbeispiels, weshalb die übereinstimmenden Elemente in 1 und 6 die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht erneut beschrieben werden.
Der Sensor des dritten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Sensor des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass die oberflächennahe, erste Aktivregion 62 eine p-Dotierung aufweist, deren Höhe bei der Dotierung einer Anschlussregion 44 der Anode 40 liegt. Die erste Aktivregion 62 bei dem dritten Ausführungsbeispiel ist höher dotiert als erste Aktivregion 12 bei dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel und bildet damit einen etwas tiefer liegenden pn-Übergang im Vergleich zu dem Sensor des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels, erfordert aber keine zusätzliche Implantations- und Maskenebene.
7 zeigt das gemessene spektrale Ansprechverhalten (die "Response") eines Sensors nach dem dritten Ausführungsbeispiel in einer der 3 entsprechenden Darstellung, wobei der Einfluss der ersten Aktivregion 62 gezeigt ist, wenn die erste Aktivregion 62 eine p-Dotierung aufweist, deren Höhe bei der Dotierung einer Anschlussregion 44 der Anode 40, 44 liegt, die den Kontakt 40 beinhaltet. Es ist auch aus dieser Darstellung ersichtlich, dass an dem ersten Kontakt 18 und damit an beliebiger Stelle der ersten Katode überwiegend der von Photonen im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugte Fotostrom, und an dem zweiten Kontakt 28 und damit an beliebiger Stelle der zweiten Katode überwiegend der von Photonen im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotostrom abgegriffen wird. Die Photonen im Wellenlängenbereich unterhalb 425nm werden vollständig unterdrückt und ergeben keinen messbaren Fotostrom.
8 zeigt einen senkrechten Schnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel des Sensors. Der Sensor des vierten Ausführungsbeispiels hat weitgehend die gleiche Struktur wie der Sensor des ersten Ausführungsbeispiels, weshalb die übereinstimmenden Elemente in 1 und 8 die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht erneut beschrieben werden.
Der Sensor des vierten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Sensor des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass eine durchgehende Polysiliziumschicht 66 direkt oberhalb der zweiten Aktivregion 14 angeordnet und gegenüber der zweiten Aktivregion 14 durch eine Oxidschicht 68 (als Gateoxid) isoliert ist. Die erste Aktivregion 12 ist hier nicht vorgesehen.
Durch eine Polysiliziumschicht als Deckschicht 66 ergibt sich eine Verschiebung der kurzwelligen, zu unterdrückenden Wellenlängen ins Sichtbare, da die hochenergetischen Photonen anteilsmäßig bereits in dieser Deckschicht 66 absorbiert werden und da diese Polysiliziumschicht 66 durch die Oxidschicht 68 elektrisch vom Silizium des Sensors getrennt ist, können Ladungsträger nicht zum Fotostrom beitragen.
Der Sensor des vierten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Sensor des ersten und dritten Ausführungsbeispiels auch dadurch, dass die erste Aktivregion 12 oder 62 fortgelassen ist und funktionell von der – die hochenergetischen Photonen aus dem Lichteinfall auskoppelnden – Deckschicht 66 ersetzt wurde. Die Deckschicht 66 deckt die folgende Aktivregion 14 vollständig ab. Diese Optionen der optisch beeinflussenden Deckschicht und des oberflächennah liegenden pn-Übergangs (der kurzgeschlossen ist) können je für sich oder auch kombiniert eingesetzt werden.
Alle Beispiele sind nicht auf Silizium als Werkstoff des Sensors beschränkt. Auch andere Materialien, beispielsweise GaAs und andere Halbleiter, können bei der Implementierung der Beispiele verwendet werden.
9 stellt in einem internen Vergleich das Ansprechverhaltens der drei Sensoren übersichtlich zusammen. Es sind die Graphen der 3, 5 und 7. Dies auch zum Vergleich mit dem Graphen des Ansprechverhaltens des menschlichen Auges zwischen 425nm und 725nm.
10 und 11 wurden bereits vorgestellt und erörtert, dies im Rahmen der strukturellen Beschreibung der Schichtenstruktur der 1, 4, 6 und 8. Diese Figuren sind hier angeschlossen, um eine weitere Verdeutlichung der Offenbarung der vorherigen Ausführungsbeispiele zu geben und den fachmännischen Leser erhalten zu lassen, an den dieses Addendum gerichtet ist.
Dazu dient zuerst das Tiefenprofil der Dotierungskonzentration, welche auch oft "Dotierung" genannt wird, gemeint sind die in 2 zu sehenden Konzentrationen. Die Schnittpunkte verschiedener Tiefenkonzentrationen ergeben die in den genannten 1, 4, 6 und 8 gezeigten Dioden, die jeweils an einer Grenzfläche zwischen zwei Schichten unterschiedlicher Dotierungsart entstehen, so zwischen der ersten aktiven Schicht 12 (in der Beschreibung auch Aktivregion genannt) und der zweiten Aktivregion 14, zur Bildung der Diode 22. In der 10 ist das der Schnittpunkt der Dotierungskonzentration PIMP und NWell am Ende des ersten tiefen Bereiches. Bei der Ausbildung der 8 fehlt die oberste Diode 22, die in 10 nur für die Beispiele aus den anderen 1, 4 und 6 gilt.
Im zweiten Tiefenbereich gibt es erneut einen Schnittpunkt, hier zwischen NWell und DPWell, zur Bildung der Diode 23. Dies ist im Tiefenbereich II. im Tiefenbereich III entstehen zwei Dioden, weil es hier auch zwei Schnittpunkte zwischen jeweils gegensätzlichen Dotierungsarten gibt. Im Schnittpunkt zwischen der Aktivregion 20 und der Aktivregion 24 liegt die Diode 25 (Schnitt von TNWell und DPWell). Zwischen der Aktivregion 24 und dem Substrat 52 entsteht die Diode 29 (Schnitt von TNWell und PSub).. Elektrisch sind diese beiden Dioden 25 und 29 parallel geschaltet und geben ihr Signal an der zweiten Katode 28 ab, gegenüber der Anode 40, welche über die Anschlussregion 44 mit dem Substrat 52 elektrisch leitend in Verbindung steht.
Die Diode 25 entsteht am Schnittpunkt zwischen DPWell und TNWell, wobei die Dotierungskonzentration von DPWell bis zur Diode 25 und zur Übergangszone zwischen den Aktivregionen 20 und 24 dauernd oberhalb der Dotierungskonzentration von TNWell liegt. Im Schnittpunkt der Dotierungskonzentration TNWell und dem Substrat 52 entsteht die zur Diode 25 parallel geschaltete Diode 29. Diese Dioden sind in allen 1, 4, 6 und 8 eingezeichnet und jeweils dort ebenfalls erläutert.
Die elektrische Schaltung der Dioden im ESB ist aus der 11 ersichtlich.
11 zeigt die Dioden 22, 23, 25 und 29 und ihre zugehörige Anbindung mit dem Substrat und der Anode am in der Figur unteren Ende und mit den beiden Katoden 18 und 28 am oberen Ende. Hier ist auch zu sehen, dass die erste Diode 22 elektrisch kurzgeschlossen ist zwischen den beiden Aktivregionen 12, 14, um den UV-Strahlungsanteil hinsichtlich des von ihm erzeugten Stromes zu neutralisieren. Diese Diode würde bei dem ESB der Ausführung nach 8 fehlen.
Ersichtlich sind die Bereich und Aktivregionen zu erkennen, die mit denselben Bezugszeichen benannt sind. So ist 52 das Substrat und 24 die am tiefsten liegende Aktivregion von den Aktivregionen 12, 14, 20 und 24. Es ist auch zu erkennen, dass die beiden Dioden 25 und 29 elektrisch parallel geschaltet sind, um mit ihrer Anode vom Substrat aus zur Katode 28, der zweiten Katode elektrisch verbunden zu sein.
Hier kann die weiter oben mehrfache gemachte Annahme angewendet werden, dass bei gegensätzlichen Dotierungsarten sich die Diodenrichtung umkehrt und auch die Benennung von Anode zu Katode, was sich in einem entsprechend invertierten Schaubild der 11 als elektrischen Ersatzschallbild manifestieren wird, hier aber nicht gesondert dargestellt.
Bei den im Beispiel angegebenen optischen Sensoren der 1, 4, 6 und 8 können die dort in positiver Flussrichtung dargestellten Fotoströme auch als negative Fotoströme zur Verfügung gestellt werden, wenn alle zugehörig beschriebenen Dotierungen der Aktivregionen invertiert werden. Dann ergibt sich ein entsprechend invertiertes elektrisches Ersatzschaltbild der 11, hier nicht gesondert dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8274587 B2 [0005]
US 9019251 B2 [0005]

Claims

Optischer Sensor, bei dem durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotoströme getrennt an pn-Übergängen von in einem p-Substrat (52) ausgebildeten Aktivregionen abzugreifen sind, wobei der Sensor mehrere Aktivregion (12, 14, 20) übereinander und mehrere pn-Übergänge (22; 23; 25, 29), einen jeweils zwischen zwei angrenzenden Aktivregionen (12, 14; 14, 20; 20, 24) umfasst, und wobei ... – eine der Aktivregionen eine p-dotierte, oberflächennahe Aktivregion (12) ist, welche eine in eine Tiefe des optischen Sensors abfallende hohe p+ Dotierung aufweist; – eine weitere der Aktivregionen unter der oberflächennahen Aktivregion (12) als darunter liegende n-dotierte Aktivregion (14) ausgebildet ist, die eine in die Tiefe des optischen Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit der oberflächennahen Aktivregion einen pn-Übergang (22) bildet, der kurzgeschlossen ist; – eine weitere der Aktivregionen als eine unter der n-dotierten Aktivregion (14) liegende p-dotierte Aktivregion (20) ausgebildet ist, welche eine zu der n-dotierten Aktivregion (14) hin abfallende p-Dotierung aufweist und mit ihr einen weiteren pn-Übergang (23) bildet, dessen – durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugbarer – Fotostrom an einer ersten Katode (18) abgreifbar ist; – eine weitere der Aktivregionen als eine unter der p-dotierten Aktivregion (20) liegende n-dotierte Aktivregion (24) ausgebildet ist, welche als Dotierprofil eine in die Tiefe des optischen Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit der angrenzenden Aktivregion (20) und dem p-Substrat (52) einen noch weiteren pn-Übergang (25, 29) bildet, dessen – durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugbarer – Fotostrom an einer zweiten Katode (28) abgreifbar ist; – eine Anode (40) vorgesehen ist, welche über eine Anschlussregion (44) mit dem – die Aktivregionen (12, 14, 20, 24) umgebenden – p-Substrat (52) verbunden ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei sich der zuletzt genannte pn-Übergang (25, 29) auch zwischen der zuletzt genannten Aktivregion (24) und dem p-Substrat (52) erstreckt, in dem diese Aktivregion (24) eingebettet ist, und auch an diesem pn-Übergang (25) – durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich – erzeugbarer Fotostrom an der zweiten Katode (28) ansteht oder anstehen würde.
Sensor nach Anspruch 1, wobei eine die erste Aktivregion (12) wenigstens abschnittsweise überdeckende Schicht (36; 60) vorgesehen ist, insbesondere als eine Polysiliziumschicht, die gegenüber den Aktivregionen (12, 14, 20) des optischen Sensors isoliert ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei eine Schicht, insb. eine Polysiliziumschicht (60), die erste Aktivregion (12) vollständig überdeckt, die gegenüber den Aktivregionen (12, 14, 20) des Sensors isoliert ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der erste pn-Übergang (22) bei 0.2µm bis 0.5µm gemessen von der Oberseite oder Oberfläche des aktiven Abschnitts des Sensors liegt oder um das genannte Maß davon beabstandet ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei eine Spitzen-Dotierkonzentration des Dotierprofils der dritten Aktivregion (20) bei 3µm bis 5µm liegt und eine Grenze für den Anteil der sichtbaren Photonen definiert.
Optischer Sensor, bei dem durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugbare Fotoströme getrennt an pn-Übergängen von in einem p-Substrat (52) ausgebildeten Aktivregionen abgreifbar sind, wobei der Sensor umfasst ... – eine durchgehend angeordnete Polysiliziumschicht, die gegenüber einer Aktivregion (12, 14) isoliert ist, die unter der Polysiliziumschicht liegt und eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist; – eine unter der Aktivregion (12, 14) liegende weitere Aktivregion (20), die eine zu der Aktivregion (12, 14) hin abfallende p-Dotierung aufweist und mit der Aktivregion einen pn-Übergang (23) bildet, dessen – durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugbarer – Fotostrom an einer ersten Katode (18) abgreifbar ist; – eine unter der weiteren Aktivregion (20) liegende noch weitere Aktivregion (24), die eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit dem Substrat (52) einen pn-Übergang (29) bildet, dessen – durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugbarer – Fotostrom an einer zweiten Katode (28) abgreifbar ist; – sowie eine Anode (40), welche über eine Anschlussregion (44) mit dem- die Aktivregionen (14, 20, 24) umgebenden – p-Substrat (52) verbunden ist.
Sensor nach Anspruch 7, wobei die unter der weiteren Aktivregion (20) liegende noch weitere Aktivregion (24), die in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist, mit der weiteren Aktivregion (20) auch einen pn-Übergang (25) bildet, dessen – durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugbarer – Fotostrom an der zweiten Katode (28) abgreifbar ist, womit die beiden pn-Übergänge (25, 29) elektrisch parallel geschaltet sind.
Optischer Sensor, bei dem durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotoströme getrennt an pn-Übergängen von Aktivregionen abgreifbar sind, die in einem p-Substrat (52) ausgebildet sind, wobei der Sensor umfasst ... – eine oberflächennahe, erste Aktivregion (12, 62) mit einer p-Dotierung; – eine unter der ersten Aktivregion (12, 62) liegende zweite Aktivregion (14), die eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit der ersten Aktivregion einen ersten pn-Übergang (22) bildet, der kurzgeschlossen ist; – eine unter der zweiten Aktivregion (14) liegende dritte Aktivregion (20), die eine zu der zweiten Aktivregion (14) hin abfallende p-Dotierung aufweist und mit der zweiten Aktivregion (14) einen zweiten pn-Übergang (23) bildet, um dessen – durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugbaren – Fotostrom an einer ersten Katode (18) abgreifbar zu machen; – eine unter der dritten Aktivregion (20) liegende vierte Aktivregion (24), die eine in die Tiefe des Sensors abfallende n-Dotierung aufweist wobei die vierte Aktivregion (24) mit dem p-Substrat (52), in dem die vierte Aktivregion (24) eingebettet ist, einen pn-Übergang (29) ebenso bildet wie mit der dritten Aktivregion (20) so dass der dritte und vierte pn-Übergang (29, 25) – durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugbaren – Fotostrom an einer zweiten Katode (28) abgreifbar machen; – sowie eine Anode (40) mit Anschlussregion (44), die mit dem p-Substrat (52) verbunden ist, wobei die Dotierung der Anschlussregion (44) der Anode (40) der Dotierung der ersten Aktivregion (12) entspricht und die Anschlussregion die Aktivregionen (12, 14, 24) umgibt.
Sensor nach Anspruch 9, wobei dritter und vierter pn-Übergang (29, 25) elektrisch parallel geschaltet sind, um ihre – durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugbaren – Fotoströme gemeinsam an der zweiten Katode (28) abgreifbar zu machen.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Katode (18) zumindest ein erster Katodenbereich oder Katodenabschnitt ist, mit einem ersten Kontakt (18).
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Katode (28) zumindest ein zweiter Katodenbereich oder Katodenabschnitt ist, mit einem zweiten Kontakt (28).
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anode (40) zumindest ein Anodenbereich (40, 44) mit einem Anodenkontakt (40) und einer Anschlussregion (44) ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fotostrom an der ersten oder zweiten Katode oder der Anode (18, 28, 40) die Anode (40) an einem (elektrisch leitfähigen) Kontakt der jeweiligen Anode oder Katode ansteht oder entsteht.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Infrarot-Fotostrom unabhängig von dem – in dem pn-Übergang (23) zwischen der ersten Aktivregion (14) und der weiteren Aktivregion (20) aus sichtbarem Licht erzeugten – Fotostrom an der zweiten Katode (28) abgreifbar ist oder ansteht.
Sensor nach Anspruch 2, wobei der zuletzt genannte pn-Übergang (25, 29) zwei elektrisch parallel geschaltete Diodenabschnitte aufweist, einen zur zuletzt genannten Aktivregion (24) und einen zum p-Substrat (52).
Sensor nach Anspruch 2, wobei sich die p-dotierte Aktivregion (20) und das p-Substrat (52) auf einem gleichen Potential befinden.
Sensor nach Anspruch 7, wobei die Polysiliziumschicht (60) eine Dicke von zwischen 100nm bis zu 300nm aufweist, um angepasst und geeignet zu sein, einen UV-Anteil des einfallenden Lichtes zumindest weitgehend zu absorbieren.
Sensor nach Anspruch 10, wobei der vierte und der dritte pn-Übergang (25, 29) zwei elektrisch parallel geschaltete Diodenabschnitte sind, einen zur zuletzt genannten Aktivregion (24) und einen zum p-Substrat (52).
Optischer Sensor, bei dem durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotoströme getrennt an pn-Übergängen von Aktivregionen abgreifbar sind, die in einem Substrat (52) ausgebildet sind, wobei der Sensor umfasst ... – eine oberflächennahe, erste Aktivregion (12, 62) mit einer ersten Dotierungsart und eine unter der Aktivregion (12, 62) liegende zweite Aktivregion (14), die eine in die Tiefe des Sensors abfallende, gegensätzliche Dotierungsart aufweist und mit der ersten Aktivregion (12) einen – insbesondere kurzgeschlossenen – ersten pn-Übergang (22) bildet; oder – eine optische wirkende Deckschicht (60, 66), die gegenüber der oder einer obersten Aktivregion (14) isoliert ist (61, 68), die unter der Deckschicht liegt, wobei die Deckschicht kurzwellige Photonen absorbiert, so dass diese nicht zu Fotoströmen beitragen können; und – eine unter der zweiten Aktivregion (14) liegende dritte Aktivregion (20), die eine zu der zweiten Aktivregion (14) hin abfallend, der erste Aktivregion (12) entsprechende Dotierungsart aufweist und mit der zweiten Aktivregion (14) einen zweiten pn-Übergang (23) bildet, der mit einer ersten Katode (18) elektrisch verbunden ist, um den – durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich an diesem pn-Übergang (23) erzeugbaren – Fotostrom an der ersten Katode (18) abgreifbar zu machen; – eine unter der dritten Aktivregion (20) liegende vierte Aktivregion (24), die eine in die Tiefe des Sensors abfallende, der zweiten Aktivregion (14) entsprechende Dotierungsart aufweist mit der dritten Aktivregion (20) und dem Substrat (52) einen dritten pn-Übergang (25, 29) bildet, der mit einer zweiten, von der ersten Katode (18) getrennten Katode (28) elektrisch verbunden ist, um – durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich an dem dritten pn-Übergang (25, 29) erzeugbaren – Fotostrom an der zweiten Katode (28) abgreifbar zu machen; – sowie eine Anode (40) mit Anschlussregion (44), die mit dem Substrat (52) elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine Dotierungart der Anschlussregion (44) der Anode (40) der Dotierungsart der ersten Aktivregion (12) entspricht und die Anschlussregion die Aktivregionen (12, 14, 24) umgibt.
Sensor nach Anspruch 20, wobei eine die erste Aktivregion (12) überdeckende Deckschicht (36; 60) als eine Polysiliziumschicht ausgebildet ist, welche gegenüber den Aktivregionen (12, 14, 20) des optischen Sensors isoliert ist.
Sensor nach Anspruch 21, wobei auf der obersten Aktivregion (12) eine diese flächig abdeckende Polysiliziumschicht (60) vorgesehen ist, welche gegenüber darunter gelegenen Aktivregion(en) (12, 14) elektrisch isoliert.
Optischer Sensor, bei dem durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugte Fotoströme getrennt an pn-Übergängen von in einem p-Substrat (52) ausgebildeten Aktivregionen abzugreifen sind, wobei der Sensor umfasst ... – eine oberflächennahe, erste Aktivregion (12), die eine in eine Tiefe des optischen Sensors abfallende hohe p+ Dotierung aufweist; – eine unter der ersten Aktivregion (12) liegende zweite Aktivregion (14), die eine in die Tiefe des optischen Sensors abfallende n-Dotierung aufweist und mit der ersten Aktivregion (12) einen ersten pn-Übergang (22) bildet, der kurzgeschlossen ist; – eine unter der zweiten Aktivregion (14) liegende dritte Aktivregion (20), die eine zu der zweiten Aktivregion (14) hin abfallende p-Dotierung aufweist und mit der zweiten Aktivregion (14) einen zweiten pn-Übergang (23) bildet, dessen durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugbarer Fotostrom an einer ersten Katode (18) abgreifbar ist; – eine unter der dritten Aktivregion (20) liegende vierte Aktivregion (24); – sowie eine Anode (40), die über eine Anschlussregion (44) mit dem die Aktivregionen (12, 14, 20, 24) umgebenden p-Substrat (52) (leitfähig) verbunden ist; – wobei die vierte Aktivregion (24) eine in die Tiefe des optischen Sensors abfallende n-Dotierung als Dotierprofil aufweist und mit der dritten Aktivregion (20) einen dritten pn-Übergang (25) bildet, um dessen durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugbaren Fotostrom an einer zweiten Katode (28) abgreifbar zu machen.
Sensor nach Anspruch 23, wobei zwischen der vierten Aktivregion (24) und dem p-Substrat (52), in dem die vierte Aktivregion (24) eingebettet ist, ein vierter pn-Übergang (29) vorhanden ist, dessen durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugbarer Fotostrom auch an der zweiten Katode (28) ansteht oder anstehen würde oder ihr zuführbar ist.
Sensor nach Anspruch 24, wobei der vierte pn-Übergangsbereich (29) den dritten pn-Übergangsbereich (25) erweitert wobei auch Fotostrom des vierten pn-Übergangsbereichs (29) an der zweiten Katode (28) ansteht oder anstehen würde, welcher Fotostrom auch durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugbar ist.
Sensor nach Anspruch 23, wobei die beiden unteren pn-Übergänge (25, 29) eine zwei elektrisch parallel geschaltete Fotodioden oder funktionell einen erweiterten pn-Übergangsbereich (29) bilden, dessen Fotostrom oder deren beider Fotostrom durch Licht im Infrarot-Wellenlängenbereich erzeugbar ist.