DE102019107895A1

DE102019107895A1 - Photodiode und Ausleseschaltung für Photodiode

Info

Publication number: DE102019107895A1
Application number: DE102019107895.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dietze; Massimo Cataldo MAZZILLO; Tim Böscke
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01
Also published as: WO2020193553A1

Abstract

Eine Photodiode (10) umfasst ein Halbleitersubstrat (11) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine auf dem Halbleitersubstrat (11) angeordnete Halbleiterschicht (12) mit einem photosensitiven Bereich (14), einen ersten Bereich (15) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, der in den photosensitiven Bereich (14) integriert ist, und einen zweiten Bereich (16) von dem ersten Leitfähigkeitstyp, der in den photosensitiven Bereich (14) integriert ist und lateral zu dem ersten Bereich (15) versetzt ist, wobei einer der ersten und zweiten Bereiche (15, 16) die Anode und der andere Bereich die Kathode der Photodiode (10) bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photodiode, ein Verfahren zum Betrieb einer Photodiode und eine Ausleseschaltung für eine Photodiode.
Die Anwendungen von Photodioden sind vielfältig. Photodioden werden beispielsweise in VR (virtuelle Realität, englisch: virtual reality)-Anwendungen sowie AR (erweiterte Realität, englisch: augmented reality)-Anwendungen, wie zum Beispiel VR- oder AR-Positionsverfolgung (englisch: position tracking), eingesetzt. Andere Anwendungen von Photodioden finden sich in optischen Kommunikationssystemen, wie zum Beispiel zur Kommunikation von Batteriezellen in Fahrzeugen, oder in Rauchdetektoren. Derartige Systeme benötigen integrierte optische Detektoren, die mit einer hohen Photon-Detektions-Effizienz und -Geschwindigkeit im nahen Infrarot (englisch: near infrared, kurz: NIR) arbeiten, um sehr schnelle Lichtsignale in einem weiten Dynamikbereich mit gegebenenfalls nur sehr geringer Lichtintensität detektieren zu können.
Um die vorstehenden Anforderungen erfüllen und gleichzeitig elektrische Störungen in den detektierten Signalen, die von Kopplungen mit der Ausleseelektronik verursacht werden, reduzieren zu können, werden hochverstärkende Transimpedanzverstärker und rauscharme Elektronikkomponenten benötigt. Wenn herkömmliche integrierte Photodioden in Ausleseschaltungen eingesetzt werden, können die Signale nicht mit hoher Genauigkeit gelesen werden, insbesondere bei niedrigen Lichtintensitäten. Dies ist bedingt durch kapazitive Kopplungen und Rausch-Verstärkungsüberhöhungs-Effekte (englisch: noise gain peaking effects), die das Signal-Rausch-Verhältnis (englisch: signal to noise ratio, kurz: SNR) der Messungen begrenzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Photodiode zu schaffen, die es erlaubt, Signale mit niedrigem Rauschen und geringen kapazitiven Kopplungen auszulesen. Ferner sollen ein Verfahren zum Betrieb der Photodiode und eine Ausleseschaltung für die Photodiode angegeben werden.
Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Photodiode mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb der Photodiode mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 und eine Ausleseschaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 14. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Photodiode gemäß einer Ausgestaltung umfasst ein Halbleitersubstrat und eine auf dem Halbleitersubstrat angeordnete Halbleiterschicht. Die Halbleiterschicht weist einen photosensitiven Bereich auf, der auch als optisch aktiver Bereich bezeichnet werden kann. In dem photosensitiven Bereich können Ladungsträger bzw. Elektron/Loch-Paare durch einfallendes Licht erzeugt werden. Der photosensitive Bereich grenzt insbesondere an eine Hauptoberfläche der Halbleiterschicht bzw. der Photodiode an.
Das Halbleitersubstrat und die darüber liegende Halbleiterschicht sind von einem ersten Leitfähigkeitstyp. In den photosensitiven Bereich der Halbleiterschicht sind ein erster Bereich von einem zweiten Leitfähigkeitstyp und ein zweiter Bereich von dem ersten Leitfähigkeitstyp integriert. Der erste und der zweite Bereich sind lateral versetzt zueinander und insbesondere beabstandet voneinander angeordnet. Lateral versetzt bedeutet, dass sie in einer Richtung parallel zur Hauptoberfläche der Halbleiterschicht zueinander versetzt sind. Der zweite Leitfähigkeitstyp ist entgegengesetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp.
Einer der beiden ersten und zweiten Bereiche stellt die Anode der Photodiode dar und der andere Bereich die Kathode der Photodiode.
Die unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen können durch Dotieren, d. h. durch das Einbringen von Fremdatomen in das Halbleitermaterial, erzeugt worden sein. Beispielsweise kann der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Leitfähigkeitstyp sein. Entgegengesetzte Dotierungen sind auch denkbar.
Das Halbleitersubstrat, die Halbleiterschicht, der erste Bereich und der zweite Bereich können unterschiedlich stark dotiert sein. Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat stärker dotiert sein als die Halbleiterschicht und der erste sowie der zweite Bereich können jeweils stärker dotiert sein als das Halbleitersubstrat. Insbesondere kann das Halbleitersubstrat stark dotiert sein, die Halbleiterschicht schwach dotiert sein und der erste und der zweite Bereich können jeweils sehr stark oder stark dotiert sein.
Die Photodiode wandelt Licht im sichtbaren Bereich, Ultraviolett (UV)-Licht und/oder Infrarot (IR)-Licht durch einen inneren Photoeffekt in dem lichtsensitiven Bereich in einen elektrischen Strom um.
Die Photodiode kann eine pin (positiv-intrinsisch-negativ, englisch: positive intrinsic negative)-Struktur aufweisen. Der Aufbau einer pin-Photodiode ist ähnlich einer pn-Photodiode, mit dem Unterschied, dass sich zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich, d. h. zwischen den n- und p-dotierten Bereichen, ein zusätzlicher schwach dotierter oder undotierter Bereich befindet. Dieser Bereich ist somit lediglich intrinsisch leitend und wird daher als i-Bereich bezeichnet. Der i-Bereich kann durch die schwach dotierte Halbleiterschicht gebildet werden. Der erste und der zweite Bereich sind somit nicht in direktem Kontakt miteinander, und beim Anlegen einer Sperrspannung kommt es zur Ausbildung einer größeren Raumladungszone als bei einer pn-Photodiode. Da der i-Bereich nur wenige freie Ladungsträger enthält, ist er hochohmig.
Durch den lateralen Aufbau der Photodiode wird die Gesamtkapazität und insbesondere der Einfluss der Kapazität auf den vertikalen Übergang zwischen der Kathode und dem Halbleitersubstrat verringert, indem sowohl kapazitive Kopplungen als auch Rausch-Verstärkungsüberhöhungs-Effekte, insbesondere bei hohen Frequenzen, deutlich reduziert werden. Dadurch wird das erzielbare Signal-Rausch-Verhältnis erhöht, während die Effizienz der Photonenerfassung aufgrund der Möglichkeit, großflächige Detektoren ohne eine signifikante Erhöhung der Kapazitätsparameter zu verwenden, erhalten bleibt. Weiterhin wird durch den neuartigen Photodiodenaufbau die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse verbessert.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp ist ein n-Leitfähigkeitstyp. Der erste Bereich bildet die Kathode und der zweite Bereich bildet die Anode der Photodiode. Insbesondere ist das Halbleitersubstrat p⁺-dotiert, d. h. stark p-dotiert, und die darüber befindliche Halbleiterschicht ist p^--dotiert, d. h. schwach p-dotiert. Der erste Bereich ist n⁺- oder n⁺⁺- dotiert, d. h. stark oder sehr stark n-dotiert, und der zweite Bereich ist p^+- oder p⁺⁺-dotiert, d. h. stark oder sehr stark p-dotiert.
Weiterhin kann die Photodiode eine CMOS-Photodiode sein und folglich mittels der CMOS (englisch: complementary metal-oxide- semiconductor)-Technik hergestellt sein. Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Photodiode ist vollständig kompatibel mit Standard-CMOS-Prozessen. Daher kann die Photodiode in eine Vielzahl von integrierten Schaltungen (englisch: integrated circuits, kurz: ICs) integriert werden, wobei die Herstellungskosten der integrierten Schaltungen verringert werden können und die Grundfläche der Sensoren minimiert werden kann.
Die über dem Halbleitersubstrat angeordnete Halbleiterschicht kann eine Epitaxieschicht, d. h. eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschicht, sein.
Der laterale Abstand zwischen dem ersten Bereich, der insbesondere n⁺- oder n⁺⁺-dotiert ist und die Kathode der Photodiode bildet, und dem zweiten Bereich, der insbesondere p⁺- oder p⁺⁺- dotiert ist und die Anode der Photodiode bildet, kann vergleichsweise gering sein und beispielsweise höchstens 20 µm betragen. Alternativ kann dieser Abstand höchstens 19 µm oder 18 µm oder 17 µm oder 16 µm oder 15 µm oder 14 µm oder 13 µm oder 12 µm oder 11 µm oder 10 µm groß sein.
Die Fläche des ersten Bereichs an der Hauptoberfläche der Halbleiterschicht, d. h. die laterale Ausdehnung des ersten Bereichs, kann im µm²-Bereich liegen und demnach deutlich kleiner sein als bei einer herkömmlichen Photodiode mit einem vertikalen Aufbau, bei der die Kathode eine laterale Ausdehnung im mm²-Bereich hat. Beispielsweise kann die Fläche des ersten Bereichs an der Hauptoberfläche der Halbleiterschicht höchstens 100 µm² oder 50 µm² oder 10 µm² oder 5 µm² oder 2 µm² oder 1 µm² betragen.
Der elektrische Widerstand zwischen dem zweiten Bereich und dem Halbleitersubstrat ist gegenüber herkömmlichen Photodioden mit einem vertikalen Aufbau stark verringert und beträgt gemäß einer Ausgestaltung höchstens 200 Ω oder 180 Ω oder 160 Ω oder 140 Ω oder 120 Ω oder 100 Ω.
Die Halbleiterschicht kann eine Wanne von dem ersten Leitungstyp aufweisen, in die der zweite Bereich integriert bzw. eingebettet ist. Die Wanne ist insbesondere stärker dotiert als die Halbleiterschicht und beispielsweise p⁺-dotiert.
Der Abstand der Wanne von dem Halbleitersubstrat kann höchstens 15 µm oder 14 µm oder 13 µm oder 12 µm oder 11 µm oder 10 µm betragen. Der geringe Abstand der Wanne von dem Halbleitersubstrat trägt zu dem geringen elektrischen Widerstand zwischen dem zweiten Bereich und dem Halbleitersubstrat bei.
Um die Kathode und die Anode der Photodiode von außerhalb der Photodiode elektrisch kontaktieren zu können, kann ein erstes Kontaktelement auf den ersten Bereich und ein zweites Kontaktelement auf den zweiten Bereich aufgebracht sein. Die beiden Kontaktelemente können aus einem geeigneten Metall oder einer geeigneten Metalllegierung hergestellt sein.
Eine Polysilizium-Gate-Schicht, die beispielsweise p-dotiert, insbesondere p⁺-dotiert, ist, kann auf die Halbleiterschicht aufgebracht sein. Insbesondere kann die Polysilizium-Gate-Schicht auf die laterale pin-Struktur zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich sowie insbesondere die Umgebung der lateralen pin-Struktur aufgebracht sein. Zwischen der Polysilizium-Gate-Schicht und der Halbleiterschicht kann sich eine Feldoxidschicht, insbesondere aus SiO₂, befinden. Der erste Bereich und der zweite Bereich können von der Feldoxidschicht und der Polysilizium-Gate-Schicht ausgespart sein. Die Dicke der Feldoxidschicht kann beispielsweise höchstens 300 nm betragen.
Die Polysilizium-Gate-Schicht kann mit dem zweiten Bereich, d. h. insbesondere mit der Anode, kurzgeschlossen sein oder alternativ mit einem vorgegebenen elektrischen, insbesondere negativen Potential über einen unabhängigen Anschluss beaufschlagt sein.
Anstelle der Polysilizium-Gate-Schicht kann eine Schicht aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid (englisch: transparent conducting oxide, TCO), wie etwa Indiumzinnoxid (englisch: indium tin oxide, ITO), auf die Halbleiterschicht und insbesondere die Feldoxidschicht oberhalb der lateralen pin-Struktur aufgebracht sein. Die Schicht aus dem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid kann beispielsweise eine Dicke von höchstens 120 nm oder 110 nm oder 100 nm oder 90 nm oder 80 nm aufweisen.
Eine weitere Alternative besteht darin, die Polysilizium-Gate-Schicht zusammen mit der Feldoxidschicht durch eine dünne dielektrische Schicht mit einer konstanten, insbesondere negativen Ladung zu ersetzen, die auf die Halbleiterschicht und insbesondere die laterale pin-Struktur und/oder deren Umgebung aufgebracht ist. Diese Schicht kann beispielsweise aus Al₂O₃ bestehen und verhindert die Ansammlung von Elektronen in der p^--dotierten Halbleiterschicht. Die dielektrische Schicht kann direkt auf die Hauptoberfläche der Halbleiterschicht aufgebracht sein.
Allgemein können eine oder mehrere dielektrische Schichten, die jeweils eine feste Ladung aufweisen, auf die Halbleiterschicht und insbesondere die laterale pin-Struktur zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich und/oder deren Umgebung aufgebracht sein. Die festen Ladungen der dielektrischen Schichten verhindern die Ansammlung von Minoritätsträgern an der Oberfläche der p^--dotierten Halbleiterschicht. Beispielsweise können derartige Schichten eine positive Ladung aufweisen und aus Si₃N₄ oder SiO₂ bestehen, falls die oben beschriebenen Dotierungen der Schichten invertiert ist und die Halbleiterschicht bzw. Epitaxieschicht eine niedrige n-Dotierung aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass die untere Grenze für eine Oberflächenladungskonzentration der dielektrischen Schicht beispielsweise 10¹¹ cm^-2 beträgt.
Ein Verfahren zum Betrieb einer Photodiode gemäß einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen sieht vor, dass ein erstes elektrisches Potential an den ersten Bereich, d. h. insbesondere an die Kathode, und ein zweites elektrisches Potential an den zweiten Bereich, d. h. insbesondere an die Anode, angelegt wird. Das zweite elektrische Potential kann ein Referenzpotential, insbesondere ein Massepotential, sein. Das zweite Potential ist größer als das erste Potential. Folglich ist die Photodiode in Sperrrichtung vorgespannt.
Eine Ausleseschaltung kann eine Photodiode gemäß einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen umfassen und weiterhin einen der Photodiode nachgeschalteten Transimpedanzverstärker, ein dem Transimpedanzverstärker nachgeschalteten ersten Hochpassfilter und einen dem Hochpassfilter nachgeschalteten ersten Vergleicher aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, dass weitere Komponenten zwischen die vorstehend beschriebenen Komponenten geschaltet sein können.
Aufgrund der verwendeten Photodiode mit der oben beschriebenen lateralen Struktur weist die Ausleseschaltung eine hohe Leistung und Empfindlichkeit sowie ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis auf. Durch die entwickelte Photodiodenstruktur werden die elektrischen Potentiale an der Anode und der Kathode während des Betriebs gleichermaßen geändert, wodurch ein zusätzlicher Stromfluss durch die Photodiode verhindert wird und das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers nicht beeinflusst wird.
Die Ausleseschaltung ist zum Auslesen von schnellen Lichtsignalen insbesondere im nahen Infrarot über einen weiten Dynamikbereich mit gegebenenfalls nur sehr geringer Lichtintensität geeignet. Sowohl kapazitive Kopplungen als auch parasitäre Rausch-Verstärkungsüberhöhungs-Effekte, die durch eine unerwünschte Kopplung mit der Elektronik verursacht werden, können durch die Verwendung der lateralen Photodiodenstruktur weitgehend unterbunden werden, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Ausleseschaltung sind eine oder mehrere Verstärkerstufen dem ersten Hochpassfilter nachgeschaltet.
Der oder den Verstärkerstufen können weiterhin ein oder mehrere zweite Hochpassfilter nachgeschaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann ein Gleichrichter dem ersten Hochpassfilter oder dem oder den Verstärkerstufen oder dem oder den zweiten Hochpassfiltern nachgeschaltet sein. Ferner ist dem Gleichrichter ein Tiefpassfilter nachgeschaltet.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung kann die Ausleseschaltung einen ersten Schaltungszweig und einen zweiten Schaltungszweig aufweisen. Der erste Schaltungszweig kann die Komponenten der oben beschriebenen Ausgestaltungen enthalten. Der zweite Schaltungszweig zweigt beispielsweise stromabwärts von dem ersten Hochpassfilter ab und enthält zumindest einen zweiten Vergleicher. Der erste Schaltungszweig liefert als Ausgangssignal ein Hüllsignal, während der zweite Schaltungszweig ein digitales Ausgangssignal bereitstellt.
Die Photodiode und/oder die Ausleseschaltung, die in der vorliegenden Anmeldung beschrieben werden, eignen sich in besonderer Weise für den Einsatz in VR- und/oder AR-Anwendungen, wie zum Beispiel Sensoren, Geräten oder Systemen zur VR- oder AR-Positionsverfolgung. Weiterhin können die Photodiode und/oder die Ausleseschaltung in anderen Sensoren, Geräten oder Systemen eingesetzt werden, die insbesondere ähnliche Anforderungen haben wie bei der VR- oder AR-Positionsverfolgung. Beispielsweise können die Photodiode und/oder die Ausleseschaltung in optischen Kommunikationssystemen, wie zum Beispiel zur Kommunikation von Batteriezellen in Fahrzeugen, oder in Rauchdetektoren eingesetzt werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen schematisch:

1 eine Darstellung einer Photodiode mit einer vertikalen Struktur;
2 eine Darstellung eines elektrischen Modells der Photodiode aus 1;
3 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Photodiode mit einer lateralen Struktur;
4 eine Darstellung eines elektrischen Modells der Photodiode aus 3;
5 eine Darstellung eines Front-End-Schaltkreises für eine Photodiode mit einer vertikalen Struktur;
6 eine Darstellung eines Front-End-Schaltkreises für eine Photodiode mit einer lateralen Struktur;
7 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Photodiode mit einer lateralen Struktur;
8 eine Darstellung verschiedener Photodioden-Kapazitäten gegen die Kathodensperrspannung;
9 eine Darstellung der spektralen Empfindlichkeit für verschiedene Photodiodenparameter gegen die Wellenlänge;
10 eine Darstellung verschiedener Photodioden-Kapazitäten gegen die Polysilizium-Gate-Spannung;
11 eine Darstellung einer parasitären Rückkopplung in einer Ausleseschaltung für eine Photodiode;
12 eine Darstellung der Auswirkung einer kapazitiven Kopplung in einer Ausleseschaltung für eine Photodiode mit einer vertikalen Struktur;
13 eine Darstellung der Auswirkung einer kapazitiven Kopplung in einer Ausleseschaltung für eine Photodiode mit einer lateralen Struktur;
14 eine Darstellung der Rauschspektraldichte gegen die Frequenz für Photodioden mit einer vertikalen Struktur und verschiedenen Photodiodenkapazitäten;
15 eine Darstellung der Rauschspektraldichte gegen die Frequenz für Photodioden mit einer vertikalen und einer lateralen Struktur; und
16A bis 16E Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele von Ausleseschaltungen für Photodioden mit einer lateralen Struktur.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
1 zeigt eine CMOS-Photodiode 1 mit einer vertikalen Struktur, die im Folgenden auch als VPIN-Struktur bezeichnet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellungen in 1 und allen weiteren Figuren nicht maßstabsgetreu sind.
Die Photodiode 1 ist in eine integrierte Schaltung integriert und umfasst ein p⁺-dotiertes Halbleitersubstrat 2 und eine darüber angeordnete p^--dotierte Epitaxieschicht 3. Die Epitaxieschicht 3 umfasst einen photosensitiven Bereich 4, dessen laterale Ausdehnung in 1 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. In den photosensitiven Bereich 4 ist ein n⁺⁺- dotierter Bereich 5 integriert.
Außerhalb der Photodiode 1 und des photosensitiven Bereichs 4 ist ein p⁺⁺-dotierter Bereich 6 in eine p⁺-dotierte Wanne 7 eingebettet, die sich in der Epitaxieschicht 3 befindet.
Die Photodiode 1 hat eine pin-Struktur und ist durch ein mit PD bezeichnetes Schaltzeichen in 1 gekennzeichnet.
Der n⁺⁺-dotierte Bereich 5 und das p⁺-dotierte Halbleitersubstrat 2 stellen die Kathode CAT bzw. die Anode der Photodiode 1 dar. Der p⁺⁺-dotierte Bereich 6 ist mit einem Massepotential VSS verbunden.
Ein elektrisches Modell der Photodiode PD aus 1 ist in 2 gezeigt. Die Photodiode PD ist zwischen die Kathode CAT bzw. den n⁺⁺-dotierte Bereich 5 und das als Anode ausgebildete Halbleitersubstrat 2 geschaltet. Nachteilig an diesem Aufbau ist, dass das Halbleitersubstrat 2 nicht direkt kontaktiert werden kann, sondern über den p⁺⁺-dotierten Bereich 6 durch die nur schwach dotierte und daher hochohmige Epitaxieschicht 3 hindurch kontaktiert werden muss. Der durch die Epitaxieschicht 3 verursachte elektrische Widerstand R_SUB beträgt typischerweise ca. 1 kQ.
3 zeigt eine CMOS-Photodiode 10 mit einer lateralen Struktur, die im Folgenden auch als LPIN-Struktur bezeichnet wird.
Die Photodiode 10 umfasst ein p⁺-dotiertes Halbleitersubstrat 11 und eine auf dem Halbleitersubstrat 11 befindliche Halbleiterschicht in Form einer p^--dotierten Epitaxieschicht 12. Die Epitaxieschicht 12 umfasst eine Hauptoberfläche 13 sowie einen an die Hauptoberfläche 13 angrenzenden photosensitiven Bereich 14. In dem photosensitiven Bereich 14 können Ladungsträger bzw. Elektron/Loch-Paare durch einfallendes Licht erzeugt werden.
In den photosensitiven Bereich 14 der Epitaxieschicht 12 sind ein erster Bereich in Form eines n⁺⁺-dotierten Diffusionsbereichs 15 und ein zweiter Bereich in Form eines p⁺⁺-dotierten Diffusionsbereichs 16 integriert. Der p⁺⁺-dotierte Bereich 16 ist ferner in eine p⁺-dotierte Wanne 17 eingebettet.
Der n⁺⁺-dotierte Bereich 15 und der p⁺⁺-dotierte Bereich 16 sind lateral versetzt zueinander und beabstandet voneinander angeordnet. Lateral versetzt bedeutet, dass sie in einer parallel zur Hauptoberfläche 13 der Epitaxieschicht 12 verlaufenden Richtung 21, die in 3 durch einen Pfeil gekennzeichnet ist, zueinander versetzt sind. Der Abstand des n⁺⁺-dotierten Bereichs 15 vom p⁺⁺-dotierten Bereich 16 ist in 3 durch das Bezugszeichen 23 gekennzeichnet.
In der in 3 dargestellten Photodiode 10 sind im Unterschied zur Photodiode 1 aus 1 sowohl der n⁺⁺-dotierte Bereich 15 als auch der p⁺⁺-dotierte Bereich 16 in den photosensitiven Bereich 14 der Epitaxieschicht 12 integriert. Weiterhin ist der Abstand 23 zwischen dem n⁺⁺-dotierten Bereich 15 und dem p⁺⁺- dotierten Bereich 16 bei der Photodiode 10 deutlich geringer als bei der Photodiode 1 und beträgt beispielsweise nicht mehr als 20 µm.
Ferner ist die Ausdehnung des n⁺⁺-dotierten Bereichs 15 in lateraler Richtung in der Photodiode 10 kleiner als die Ausdehnung des n⁺⁺-dotierten Bereichs 5 in lateraler Richtung in der Photodiode 1. Der n⁺⁺-dotierte Bereich 15 der Photodiode 10 hat an der Hauptoberfläche 13 eine Fläche im µm²-Bereich, während der n⁺⁺-dotierte Bereich 5 der Photodiode 1 eine Fläche im mm²-Bereich aufweist.
Der vertikale Abstand zwischen der p⁺-dotierten Wanne 17 und dem p⁺-dotierten Halbleitersubstrat 11, d. h. der Abstand in einer Richtung 22, die senkrecht zur Richtung 21 verläuft, ist in der Photodiode 10 deutlich kleiner als der entsprechende Abstand in der Photodiode 1. Daher ist auch der elektrische Widerstand R_SUB zwischen der Wanne 17 und dem Halbleitersubstrat 11 in der Photodiode 10 kleiner und beträgt beispielsweise ca. 100 Ω.
Der vertikale pin-Übergang zwischen dem n⁺⁺-dotierten Bereich 15 und dem p⁺-dotierten Halbleitersubstrat 11 bildet eine in 3 mit PD1 bezeichnete Photodiode aus. Ferner bildet der laterale pin-Übergang zwischen dem n⁺⁺-dotierten Bereich 15 und dem p⁺⁺-dotierten Bereich 16 eine mit PD2 bezeichnete Photodiode aus, welche im Vergleich zur Photodiode PD1 die dominante Photodiode ist. Der n⁺⁺-dotierte Bereich 15 stellt die Kathode und der p⁺⁺- dotierte Bereich 16 stellt die Anode der Photodiode 10 dar.
4 zeigt ein elektrisches Modell der Photodiode 10 aus 3 mit den beiden Photodioden PD1 und PD2. Die Anode ANO der Gesamtschaltung ist über den vergleichsweise kleinen Widerstand R_SUB mit der Anode der Photodiode PD1 verbunden. Die laterale Photodiode 10 erlaubt einen Schaltungsentwurf, der näher an einer differentiellen Konfiguration ist als eine Single-Ended-Konfiguration.
5 zeigt einen beispielhaften Front-End-Schaltkreis für die Photodiode 1 aus 1. Die in 5 dargestellte Kapazität CD entspricht der Kapazität der Photodiode PD. Die Kapazitäten C_cat und C_sub sind parasitäre Kapazitäten. Die Photodiode PD ist mit einem Transimpedanzverstärker verbunden, der an seinem Ausgang ein Ausgangssignal out erzeugt.
6 zeigt einen beispielhaften Front-End-Schaltkreis für die Photodiode 10 aus 3. Die Kapazitäten C_D1 und C_D2 entsprechen den Kapazitäten der Photodioden PD1 und PD2. Die Kapazitäten C_cat, C_ano und C_sub sind parasitäre Kapazitäten.

In der nachfolgenden Tabelle 1 werden Eigenschaften einer lateralen Photodiodenstruktur den Eigenschaften einer vertikalen Photodiodenstruktur gegenübergestellt. Tabelle 1

	Vertikale Photodiode	Laterale Photodiode
Kapazität der Photodiode	ein einziger Term, der mit der aktiven Fläche skaliert	zwei Terme; die Skalierung ist von der aktiven Fläche entkoppelt und kann stark verringert werden
Substratwiderstand	ca. 1 kΩ; die Photodiode selbst hat keinen Substratkontakt	ca. 100 Ω; hoher Füllfaktor der Substratkontakte wird durch Photodiode bereitgestellt
Kapazitive Kopplung zum Substrat	beeinträchtigt das Photodiodensignal durch das Anodenpotential; führt üblicherweise zu einem schlechten PSRR	beeinträchtigt nur einen Teil des Photodiodensignals (PD1)
Kapazitive Kopplung zur Oberfläche	beeinträchtigt das Photodiodensignal durch das Kathodenpotential; empfindlich auf Kopplung zu Bonddrähten, schlechtes EMC	Kathoden- und Anodenpotentiale sind in gleicher Weise betroffen, wodurch sich der Effekt aufhebt

7 zeigt die CMOS-Photodiode 10 mit der LPIN-Struktur aus 3, wobei in 7 auf der Hauptoberfläche 13 der Epitaxieschicht 12 eine Feldoxidschicht 25 abgeschieden ist. Die Bereiche 15 und 16, die in der in 7 dargestellten Ausgestaltung n⁺- bzw. p⁺-dotiert sind, sind von der Feldoxidschicht 25 ausgespart und mit Metallkontaktelementen 26 bzw. 27 versehen. Auf die Feldoxidschicht 25 ist eine p⁺-dotierte Polysilizium-Gate-Schicht 28 aufgebracht.
In 7 liegen der p⁺-dotierte Bereich 16 und das p⁺-dotierte Halbleitersubstrat 11 auf einem Massepotential. Die Polysilizium-Gate-Schicht 28 ist elektrisch mit dem p⁺-dotierten Bereich 16 verbunden. Der n⁺-dotierte Bereich 15 ist mit einem positiven Potential beaufschlagt, um die Photodiode in Sperrrichtung vorzuspannen.
Im Folgenden werden verschiedene Layout-Parameter für die Photodiode 10 genannt. Diese Parameter sind jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. Es kann durchaus von den genannten Parametern abgewichen werden.
Die minimale Breite des n⁺-dotierten Bereichs 15 beträgt 0,7 µm und die minimale Breite des p⁺-dotierten Bereichs 16 beträgt 1,4 µm. Der Abstand 23 zwischen den Bereichen 15 und 16 beträgt zwischen 10 µm und 15 µm und ist vergleichbar mit der Dicke der Epitaxieschicht 12. Die Breite der p⁺-dotierten Wanne 17 liegt im Bereich von 2 µm bis 10 µm.

Weitere beispielhafte Werte für die Dotierung und die Dicke bestimmter Schichten sind in nachfolgender Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2

Schicht	Dotierung in cm^-3	Dicke in µm
n⁺-dotierter Bereich 15	6×10¹⁹	≈0,2
p⁺-dotierter Bereich 16	3×10¹⁹	≈0,2
p⁺-dotierte Wanne 17	3×10¹⁶	≈1
p^--dotierte Epitaxieschicht 12	1,3×10¹³	10 bis 15
p⁺-dotiertes Halbleitersubstrat 11	3×10¹⁸	350
p⁺-dotierte Polysilizium-Gate-Schicht 28	1x10²⁰	0,3
Feldoxidschicht 25	-	0,3

In 8 sind die Kathoden-Anoden-Kapazität, die Kathoden-Substrat-Kapazität und die Gesamtkapazität für eine Photodiode mit einer LPIN-Struktur und die Gesamtkapazität einer Photodiode mit einer VPIN-Struktur gegen die Kathodensperrspannung aufgetragen.
Im Vergleich zu einer herkömmlichen Photodiode mit einer VPIN-Struktur sowie gleichen Zelldimensionen erlaubt es die LPIN-Struktur die Gesamtkapazität der Photodiode um einen Faktor von ungefähr 4,5 zu reduzieren, wobei gleichzeitig der Beitrag des Kathoden-Substrat-Übergangs zu der Gesamtkapazität minimiert wird. Der Effekt lässt sich auf die laterale Begrenzung des verarmten Bereichs um den Oberflächen-Kathodenkontakt zurückführen, der sich durch die Verwendung eines p⁺-dotierten Bereichs 16 und einer den p⁺-dotierten Bereich 16 umgebenden p⁺- dotierten Wanne 17 ergibt.
In 9 ist die spektrale Empfindlichkeit, welche in der Legende von 9 mit „Resp“ abgekürzt ist, bei einer Bestrahlungsstärke von 1 mW/cm² gegen die Wellenlänge für Photodioden mit einer LPIN- bzw. einer VPIN-Struktur und Kathodenspannungen von 0 V, 0,7 V oder 3 V dargestellt. Die sehr geringe Dotierung der Epitaxieschicht kombiniert mit dem ineinander greifenden Oberflächenkontaktdesign erlaubt eine gute optische Antwort der Photodiode mit der LPIN-Struktur sowohl im sichtbaren Bereich als auch im nahen Infrarot bei bereits sehr geringen Sperrspannungen. Wenn die optische Antwort bei den gleichen experimentellen Bedingungen simuliert wird, ist die optische Antwort der LPIN-Photodioden vergleichbar mit derjenigen von VPIN-Photodioden.
Weiterhin haben Simulationen gezeigt, dass die Verwendung einer p⁺-dotierten Polysilizium-Gate-Schicht auf der Feldoxidschicht zwischen den n⁺- und p⁺-dotierten Bereichen, die mit der Anode kurzgeschlossen ist (Struktur mit 3 Anschlüssen), den Kapazitätsanstieg, der durch den Elektronen-Oberflächen-Kanal an der Oxid/Silizium-Grenzfläche erzeugt wird, verringert. Ein solcher Kapazitätsanstieg kann aufgrund der sehr geringen Dotierung der Epitaxieschicht kritisch für die Stabilität der Photodiode sein. Der Effekt wird maximiert für geringe Oxidschichtdicken von kleiner als 100 nm und hohen Oberflächenladungsdichten von über 10¹¹ cm^-2.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung können die Oberflächenladungseffekte verringert werden, indem die p⁺-dotierte Polysilizium-Gate-Schicht mit einer negativen Spannung im Bereich zwischen -5V und 0V vorgespannt wird. Dazu wird die Polysilizium-Gate-Schicht elektrisch von der Anode entkoppelt und über einen separaten Anschluss mit dem gewünschten Potential beaufschlagt (Struktur mit 4 Anschlüssen).
In 10 sind zur Veranschaulichung der vorstehenden Ausführungen die Kathode-Anode-Kapazität, die Kathode-Substrat-Kapazität, die Kathode-Gate-Kapazität und die Gesamt-Polysilizium-Gate-Kapazität gegen die Polysilizium-Gate-Spannung aufgetragen. Folgende Parameter wurden für die Simulation der Kapazitäten verwendet: V_Kathode = +0,7 V, V_Anode = 0 V, V_Substrat = 0 V und Q_int = 10^-11 cm^-2. Ferner ist in 10 die Gesamtkapazität C_tot = 9,7 pF/mm² für eine LPIN-Struktur ohne die Polysilizium-Gate-Schicht durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet.
Im Folgenden werden weitere relevante Eigenschaften der in der vorliegenden Anmeldung vorgestellten LPIN-Struktur beschrieben.
Die Verwendung der p⁺-dotierten Wanne ist darauf ausgerichtet, den Bulkkontaktwiderstand zu reduzieren. Dieser Widerstand hat sich als kritischer Parameter in Anbetracht der sehr niedrigen Dotierung der Epitaxieschicht erwiesen.
Grundsätzlich ist das in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Design kompatibel mit einer dünnen Oxid-Gate-Schicht mit einer Dicke von zum Beispiel 7 oder 14 nm, welche die Feldoxidschicht ersetzt.
Die Verwendung einer in geeigneter Weise vorgespannten Polysilizium-Gate-Schicht ist vorteilhaft, um die Reproduzierbarkeit der elektro-optischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit der Photodiode trotz des Einflusses von Oberflächenladungen zu verbessern.
Die Metallschichten und die Oberflächen-Polysilizium-Schichten können in geeigneter Weise durch einen Stapel von dielektrischen Schichten passiviert werden.

In nachfolgender Tabelle 3 werden beispielhafte Simulationsergebnisse für die VPIN- und LPIN-Strukturen miteinander verglichen. Tabelle 3

Parameter	VPIN-Struktur	LPIN-Struktur
Kapazität bei 0 V (pF/mm²)	17,0	3,7
Empfindlichkeit bei 850 nm und 0,7 V (A/W)	0,40	0,36
I_R bei 5V Sperrspannung (nA/mm²)	129,2	14,4
Is bei 0V Sperrspannung (nA/mm²)	18,6	0,30
Idealitätsfaktor N bei 298 K	1,42	1,14
Photonenabfall bei 850 nm, 0,7 V und 10 MHz (dB)	-1, 14	-2,44

Zusammenfassend zeichnet sich die LPIN-Struktur gegenüber der VPIN-Struktur aus durch:

- eine verringerte Gesamtkapazität,
- eine verringerte vertikale Kathoden/Substrat-Kapazität (verglichen mit der Oberflächen-Kathoden/Anoden-Kapazität),
- eine gute Empfindlichkeit und Bandbreite im nahen Infrarot, und
- eine hohe Stabilität aufgrund der Implementierung einer geeigneten Struktur zur Minimierung des Einflusses von Oberflächenladungen.

Eine kapazitive Kopplung zwischen Bonddrähten, die zur elektrischen Verbindung mit der Photodiode verwendet werden, und der aktiven Fläche der Photodiode kann zu einer parasitären Rückkopplung zwischen dem Treiberausgang und dem Eingang des Transimpedanzverstärkers führen, wie es in 11 veranschaulichend dargestellt ist. Dadurch können Signalverzerrungen, Falschmeldungen (englisch: false positives), Pulse-Skipping und Selbstoszillationen hervorgerufen werden.
Bei der VPIN-Struktur, wie sie beispielhaft in 12 gezeigt ist, führt eine kapazitive Kopplung nur zu einer Änderung des Kathodenpotentials. Dadurch wird ein zusätzlicher Strom durch die Photodiode verursacht, was sich im Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers bemerkbar macht.
Bei der LPIN-Struktur, wie sie beispielhaft in 13 gezeigt ist, ändert eine kapazitive Kopplung das Anodenpotential und das Kathodenpotential in gleicher Weise. Folglich fließt kein zusätzlicher Strom durch die Photodiode und das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers ist unberührt. Weiterhin wird durch die niedrige Kapazität der Photodiode mit der LPIN-Struktur der Einfluss der Rauschquelle minimiert.
Die hohen Empfindlichkeitsanforderungen führen zu der Verwendung großflächiger Photodioden, wodurch sich die Photodiodenkapazität C_D erhöht. Dadurch ergeben sich höhere Rauschpeaks bei höheren Frequenzen, wie 14 beispielhaft für eine Photodiode mit einer VPIN-Struktur zeigt, was das erzielbare Signal-Rausch-Verhältnis reduziert.
Die LPIN-Struktur erlaubt demgegenüber eine erhebliche Verringerung der Gesamtkapazität die Photodiode, d. h. der in 6 dargestellten Kapazitäten C_D1 und C_D2, wohingegen die gesamte aktive Fläche sowie die spektrale Empfindlichkeit beibehalten werden. Weiterhin wird bei der LPIN-Struktur die Kapazität in zwei Kapazitäten aufgespalten, wobei nur die vertikale Kapazität zu dem Rauschpeak beiträgt. In 15 sind Rauschspektraldichten für VPIN- und LPIN-Strukturen gegen die Frequenz aufgetragen.
16A bis 16E zeigen verschieden ausgestaltete Ausleseschaltungen 51 bis 55 für eine Photodiode 10 mit einer LPIN-Struktur, wie sie oben beschrieben wurde.
Die in 16A dargestellte Ausleseschaltung 51 weist einen optischen Eingang 60 auf, an dem ein optisches Signal eingeht, welches von der Photodiode 10 in einen Photostrom umgewandelt wird. Die Photodiode 10 kann beispielsweise eine große Fläche im Bereich von 1 mm² bis 2 mm², eine hohe IR-Empfindlichkeit von zum Beispiel 0,4 A/W bei Licht einer Wellenlänge von 850 nm sowie eine hohe Bandbreite von größer als 10 MHz aufweisen.
Der Photodiode 10 ist ein Transimpedanzverstärker 61 nachgeschaltet, der den von der Photodiode 10 bereitgestellten Photostrom in eine Spannung umwandelt. Für die hier beschriebene Anwendung benötigt der Transimpedanzverstärker 61 sowohl eine hohe Geschwindigkeit als auch eine große Verstärkung. Beispielsweise hat der Transimpedanzverstärker 61 eine Bandbreite von größer als 10 MHz und eine Verstärkung von 10 kΩ.
Ein dem Transimpedanzverstärker 61 nachgeschaltetes Hochpassfilter 62 entfernt niederfrequente Hintergrundsignale. Beispielsweise ist die Grenzfrequenz (englisch: cut off frequency) des Hochpassfilters 62 kleiner als 1 MHz.
Hinter dem Hochpassfilter 62 ist ein Vergleicher 63 angeordnet, der zum Beispiel als Schmitt-Trigger ausgestaltet ist. Der Vergleicher 63 konvertiert das analoge Signal in ein digitales Signal und benötigt eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit.
Ein digitaler Ausgangstreiber 64 führt das digitale Ausgangssignal einer an die Ausleseschaltung 61 angeschlossenen Elektronik zu, zum Beispiel einem Microcontroller oder einer FPGA (englisch: field programmable gate array). Der digitale Ausgangstreiber 64 sollte typische Logikpegel, wie zum Beispiel 1,8 V, 3,3 V oder 5 V, bereitstellen können.
Der Aufbau der in 16B dargestellten Ausleseschaltung 52 ist weitgehend identisch mit der in 16A gezeigten Ausleseschaltung 51. Im Unterschied zur Ausleseschaltung 51 weist die Ausleseschaltung 52 zusätzlich einen oder mehrere Spannungsverstärkungsstufen 65 auf, die dem Hochpassfilter 62 nachgeschaltet sind.
Die in 16C dargestellte Ausleseschaltung 53 basiert auf der Ausleseschaltung 52 aus 16B. Die Ausleseschaltung 53 enthält zusätzlich eine oder mehrere Hochpassfilterstufen 66, die den Spannungsverstärkungsstufen 65 nachgeschaltet sind.
Die in 16D dargestellte Ausleseschaltung 54 basiert auf einer der Ausleseschaltungen 51, 52 und 53. In der Ausleseschaltung 54 sind dem Vergleicher 63 ein Gleichrichter 67 und ein Tiefpassfilter 68 vorgeschaltet. Der digitale Ausgangstreiber 64 liefert als Ausgangssignal ein Hüllsignal (englisch: envelope signal).
Die in 16E dargestellte Ausleseschaltung 55 umfasst einen ersten Schaltungszweig, welcher der Ausleseschaltung 54 aus 16D entspricht. Weiterhin umfasst die Ausleseschaltung 54 einen zweiten Schaltungszweig, der dem Hochpassfilter 62 nachgeschaltet ist. Der zweite Schaltungszweig umfasst einen Vergleicher 69 und einen digitalen Ausgangstreiber 70. Der digitale Ausgangstreiber 64 stellt an seinem Ausgang ein Hüllsignal bereit, während der digitale Ausgangstreiber 70 ein digitales Signal als Ausgangssignal liefert.
Bezugszeichenliste

1: Photodiode
2: Halbleitersubstrat
3: Epitaxieschicht
4: photosensitiver Bereich
5: Bereich
6: Bereich
7: Wanne
10: Photodiode
11: Halbleitersubstrat
12: Epitaxieschicht
13: Hauptoberfläche
14: photosensitiver Bereich
15: Bereich
16: Bereich
17: Wanne
21: Richtung
22: Richtung
23: Abstand
25: Feldoxidschicht
26: Metallkontaktelement
27: Metallkontaktelement
28: Polysilizium-Gate-Schicht
51: Ausleseschaltung
52: Ausleseschaltung
53: Ausleseschaltung
54: Ausleseschaltung
55: Ausleseschaltung
60: optischer Eingang
61: Transimpedanzverstärker
62: Hochpassfilter
63: Vergleicher
64: digitaler Ausgangstreiber
65: Spannungsverstärkungsstufe
66: Hochpassfilterstufe
67: Gleichrichter
68: Tiefpassfilter
69: Vergleicher
70: digitaler Ausgangstreiber

Claims

Photodiode (10), umfassend: ein Halbleitersubstrat (11) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine auf dem Halbleitersubstrat (11) angeordnete Halbleiterschicht (12) mit einem photosensitiven Bereich (14), einen ersten Bereich (15) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, der in den photosensitiven Bereich (14) integriert ist, und einen zweiten Bereich (16) von dem ersten Leitfähigkeitstyp, der in den photosensitiven Bereich (14) integriert ist und lateral zu dem ersten Bereich (15) versetzt ist, wobei einer der ersten und zweiten Bereiche (15, 16) die Anode und der andere Bereich die Kathode der Photodiode (10) bildet.
Photodiode (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Leitfähigkeitstyp ist und der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Leitfähigkeitstyp ist.
Photodiode (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Photodiode eine CMOS-Photodiode (10) ist.
Photodiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschicht eine Epitaxieschicht (12) ist.
Photodiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der laterale Abstand (23) zwischen dem ersten Bereich (15) und dem zweiten Bereich (16) höchstens 20 µm beträgt.
Photodiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Widerstand zwischen dem zweiten Bereich (16) und dem Halbleitersubstrat (11) höchstens 200 Ω beträgt.
Photodiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Bereich (16) in eine Wanne (17) von dem ersten Leitungstyp integriert ist.
Photodiode (10) nach Anspruch 7, wobei der Abstand der Wanne (17) von dem Halbleitersubstrat (11) höchstens 15 µm beträgt.
Photodiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Kontaktelement (26) auf den ersten Bereich (15) und ein zweites Kontaktelement (27) auf den zweiten Bereich (16) aufgebracht ist.
Photodiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Polysilizium-Gate-Schicht (28) auf die Halbleiterschicht (12) aufgebracht ist und insbesondere elektrisch mit dem zweiten Bereich (16) verbunden oder mit einem vorgegebenen elektrischen Potential beaufschlagt ist.
Photodiode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Schicht aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid auf die Halbleiterschicht (12) aufgebracht ist.
Photodiode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine dielektrische Schicht mit einer konstanten Ladung auf die Halbleiterschicht (12) aufgebracht ist.
Verfahren zum Betrieb einer Photodiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes elektrisches Potential an den ersten Bereich (15) und ein zweites elektrisches Potential an den zweiten Bereich (16) angelegt wird und das erste Potential größer als das zweite elektrische Potential ist.
Ausleseschaltung (51-55), umfassend: eine Photodiode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, einen der Photodiode (10) nachgeschalteten Transimpedanzverstärker (61), ein dem Transimpedanzverstärker (61) nachgeschalteten ersten Hochpassfilter (62), und einen dem Hochpassfilter (62) nachgeschalteten ersten Vergleicher (63).
Ausleseschaltung (52-55) nach Anspruch 14, wobei mindestens eine Verstärkerstufe (65) dem ersten Hochpassfilter (62) nachgeschaltet ist.
Ausleseschaltung (53-55) nach Anspruch 15, wobei mindestens ein zweites Hochpassfilter (66) der mindestens einen Verstärkerstufe (65) nachgeschaltet ist.
Ausleseschaltung (54, 55) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei ein Gleichrichter (67) dem ersten Hochpassfilter (62) nachgeschaltet ist und ein Tiefpassfilter (68) dem Gleichrichter (67) nachgeschaltet ist.
Ausleseschaltung (55) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Photodiode (10), der Transimpedanzverstärker (61), das erste Hochpassfilter (62) und der erste Vergleicher (63) in einen ersten Schaltungszweig geschaltet sind und ein zweiter Vergleicher (69) in einen zweiten Schaltungszweig geschaltet ist, wobei der zweite Schaltungszweig dem ersten Hochpassfilter (62) nachgeschaltet ist.