DE102020209822A1 - Sensor und verfahren zum bilden von selbigem - Google Patents

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Lanxiang Wang
Shyue Seng Tan
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Abstract

Es kann ein Sensor vorgesehen werden, der ein Substrat mit einer ersten Halbleiterschicht, einer zweiten Halbleiterschicht und einer vergrabenen Isolatorschicht, die zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, umfasst. Der Sensor kann ferner eine in der ersten Halbleiterschicht angeordnete Fotodiode und ein mit der Fotodiode elektrisch in Reihe geschaltetes Quenchingwiderstandselement umfassen. Das Quenchingwiderstandselement ist in der zweiten Halbleiterschicht angeordnet und das Quenchingwiderstandselement ist über der Fotodiode angeordnet, aber durch die vergrabene Isolatorschicht von der Fotodiode getrennt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Sensor und ein Verfahren zum Bilden von selbigem.
  • Hintergrund
  • Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPADs oder Geigermode-APD), die in der Lage sind, einzelne optische Photonen zu detektieren und mit einem Zeitstempel zu versehen, haben eine hohe Detektionseffizienz und Zeitauflösung erreicht und können weit verbreitet in der Mikroskopie, biomedizinischen Diagnostik, in Weltraumteleskopen und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden.
  • SPADs basieren auf einem p-n-Übergang, der bei einer Betriebsspannung Vop, die größer ist als eine Durchbruchspannung VB des Übergangs, in Sperrrichtung vorgespannt ist. Bei dieser Vorspannung kann ein einzelner Ladungsträger, der in die Verarmungsschicht injiziert wird, eine sich selbst erhaltende Lawine auslösen, wodurch ein Strom auf makroskopischer Ebene entsteht. Wenn der primäre Ladungsträger durch ein Photon erzeugt wird, markiert die Vorderflanke des Lawinenimpulses die Ankunftszeit des detektierten Photons. Der hohe Lawinenstrom könnte dauerhafte Schäden im Gerät verursachen. Aus diesem Grund muss der Lawinenstrom gelöscht werden, um eine Beschädigung des Gerätes durch Überhitzung zu vermeiden. Dementsprechend benötigt der SPAD in der Regel eine geeignete Lösch- oder Quenchingelektronik, z.B. einen Ballastquenchingwiderstand mit einem Widerstand über 100 kΩ, um den Lawinenvorgang unmittelbar nach dem Lawinenaufbau durch ein sofortiges Absenken der Sperrvorspannung des Überganges unter die Durchbruchspannung zu unterbrechen. Um ein weiteres Photon zu detektieren wird die Sperrvorspannung wieder über die Durchbruchspannung angehoben.
  • SPAD auf der Basis der Standard-CMOS-Technologie (CMOS = Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) ist aufgrund ihrer Kompatibilität mit Standard-CMOS-Prozessen eine kostengünstige Lösung. Eine herkömmliche Bulk-Silizium-CMOS-SPAD wird normalerweise mit einem Oberflächen-Polysilizium-Quenchingwiderstand integriert, was zu einem relativ niedrigen Füllfaktor (FF: das Verhältnis von lichtempfindlicher Fläche zur gesamten Bildfläche oder Pixelfläche) und damit zu einer niedrigen Photonen-Detektionseffizienz (PDE) führen kann. Um einen hohen Füllfaktor und eine hohe Photonen-Detektionseffizienz zu erzielen, kann eine Rückseitenbeleuchtung (BSI) erforderlich sein.
  • Zusammenfassung
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann ein Sensor bereitgestellt werden. Der Sensor kann ein Substrat mit einer ersten Halbleiterschicht, einer zweiten Halbleiterschicht und einer vergrabenen Isolatorschicht umfassen, die zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist. Der Sensor kann ferner eine in der ersten Halbleiterschicht angeordnete Fotodiode und ein mit der Fotodiode elektrisch in Reihe geschaltetes Quenchingwiderstandselement aufweisen. Das Quenchingwiderstandselement ist in der zweiten Halbleiterschicht angeordnet und das Quenchingwiderstandselement ist über der Fotodiode angeordnet, aber durch die vergrabene Isolatorschicht von der Fotodiode getrennt.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann ein Verfahren zur Bildung eines Sensors vorgesehen werden. Das Verfahren kann ein Bereitstellen eines Substrats umfassen, wobei das Substrat eine erste Halbleiterschicht, eine zweite Halbleiterschicht und eine vergrabene Isolatorschicht umfasst, die zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist. Das Verfahren kann ferner ein Bilden einer Fotodiode in der ersten Halbleiterschicht und ein Bilden eines Quenchingwiderstandselements in der zweiten Halbleiterschicht umfassen. Das Quenchingwiderstandselement ist zu der Fotodiode elektrisch in Reihe geschaltet; und das Quenchingwiderstandselement ist über der Fotodiode angeordnet, aber durch die vergrabene Isolatorschicht von der Fotodiode getrennt.
  • Figurenliste
  • In den Zeichnungen beziehen sich ähnliche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten im Allgemeinen auf ähnliche Teile. Auch sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu, vielmehr liegt der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung. Es werden nun lediglich Ausführungsformen der Erfindung anhand der folgenden Zeichnungen beispielhaft illustriert, in denen:
    • 1 ein schematisches Diagramm zeigt, das eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen zeigt.
    • 2 eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen zeigt.
    • 3 eine Draufsicht des Sensors aus 2 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen zeigt.
    • 4 eine Ersatzschaltung des Sensors aus 2 und 3 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen zeigt.
    • 5 ein Ersatzschaltbild eines Sensors gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen zeigt.
    • 6 eine Draufsicht eines Sensors gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt.
    • 7 einen Graphen zeigt, der die Beziehung zwischen Widerstand (R) und Länge (L) für ein Quenchingwiderstandselement bei verschiedenen Dotierstoffkonzentrationen gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen zeigt.
    • 8A zeigt einen Sensorchip gemäß dem Stand der Technik zeigt; 8B einen Sensor in verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen zeigt.
    • 9 ein Flussdiagramm zeigt, das ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung sowie bestimmte Merkmale, Vorteile und Einzelheiten sind im Folgenden anhand von nicht beschränkenden Beispielen ausführlicher beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es erfolgt keine Beschreibung von bekannten Materialien, Herstellungswerkzeugen, Verarbeitungstechniken usw., um die Erfindung nicht mit unnötigen Details zu verschleiern. Es ist jedoch zu verstehen, dass zwar die ausführliche Beschreibung und die konkreten Beispiele Aspekte der Erfindung darstellen, aber nur zur Veranschaulichung und nicht als Einschränkung dienen. Verschiedene Substitutionen, Modifikationen, Ergänzungen und/oder Anordnungen innerhalb des Wesens und/oder des Bereichs der zugrundeliegenden erfinderischen Konzepte sind dem Fachmann aus dieser Beschreibung heraus ersichtlich.
  • Eine ungenaue Sprache, wie sie hier in der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet wird, kann dazu dienen, jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die zulässigerweise variieren könnte, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion zu führen, auf die sie sich bezieht. Dementsprechend ist ein Wert, der durch einen oder mehrere Begriffe, wie z.B. „ungefähr“, modifiziert wird, nicht auf den genau angegebenen Wert beschränkt. In einigen Fällen kann die ungenaue Sprache der Präzision eines Instruments zur Messung des Wertes entsprechen.
  • Die hier verwendeten Begriffe dienen nur der Beschreibung bestimmter Beispiele und sollen die Erfindung nicht beschränken. Gemäß Verwendung hierin sollen die Singularformen „ein, einer, eine, eines“ und „der, die, das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Es wird ferner davon ausgegangen, dass die Begriffe „umfassen“ (und jede Form von umfassen, wie z.B. „umfasst“ und „umfassend“), „haben“ (und jede Form von haben, wie z.B. „hat“ und „haben“), „einschließen“ (und jede Form von einschließen, wie z.B. „schließt ein“ und „einschließend“) und „enthalten“ (und jede Form von enthalten, wie z.B. „enthält“ und „enthaltend“) offene, verknüpfende Verben sind. Infolgedessen weist ein Verfahren oder eine Vorrichtung, das oder die einen oder mehrere Schritte oder Elemente „enthält“, „einschließt“, „umfasst“ oder „hat“, diesen einen oder mehreren Schritte oder dieses eine oder mehreren Elemente, ist aber nicht darauf beschränkt, nur diesen einen oder diese mehreren Schritte oder Elemente zu besitzen. Ebenso weist ein Verfahrensschritt oder ein Element einer Vorrichtung, der oder die ein oder mehrere Merkmale „umfasst“, „aufweist“, „einschließt“ oder „enthält“, dieses eine oder diese mehreren Merkmale auf, ist aber nicht darauf beschränkt, nur dieses eine oder diese mehreren Merkmale aufzuweisen. Darüber hinaus ist eine Vorrichtung oder eine Struktur, die auf eine bestimmte Weise ausgebildet ist, zumindest auf diese Weise ausgebildet, kann aber auch auf andere, nicht aufgeführte Weise ausgebildet sein.
  • Der Begriff „verbunden“ (oder „gekoppelt“) bedeutet hier, wenn er sich auf zwei physikalische Elemente bezieht, eine direkte Verbindung zwischen den beiden physikalischen Elementen oder eine Verbindung über ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente.
  • Es sollte verstanden werden, dass die Begriffe „an“, „über“, „unter“, „oben“, „unten“, „unterhalb“, „seitlich“, „hinten“, „links“, „rechts“, „vorne“, „neben“, „darüber“, „oberhalb“ „darunter“ usw., wenn sie in der folgenden Beschreibung verwendet werden, der Einfachheit halber und zum besseren Verständnis der relativen Positionen oder Richtungen verwendet werden und nicht die Ausrichtung einer Vorrichtung oder Struktur oder eines Teils einer Vorrichtung oder Struktur begrenzen sollen. Darüber hinaus enthalten die Singularbegriffe „ein, einer, eine, eines“ und „der, die, das“ eine Bezugnahme auf den Plural, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt, In ähnlicher Weise soll das Wort „oder“ das Wort „und“ einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor.
  • Die unten beschriebenen nicht beschränkenden Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Vorrichtungen gelten analog auch für die jeweiligen Verfahren und umgekehrt. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können; so kann beispielsweise ein Teil einer Ausführungsform mit einem Teil einer anderen Ausführungsform kombiniert werden.
  • Es versteht sich von selbst, dass jede Eigenschaft, die hier für eine bestimmte Vorrichtung beschrieben wird, auch für jede andere hier beschriebene Vorrichtung gelten kann. Es versteht sich, dass jede hierin für ein bestimmtes Verfahren beschriebene Eigenschaft auch für jedes hierin beschriebene Verfahren gelten kann. Darüber hinaus versteht es sich von selbst, dass für jede hier beschriebene Vorrichtung oder jedes hierin beschriebene Verfahren nicht unbedingt alle beschriebenen Komponenten oder Schritte in der Vorrichtung oder in dem Verfahren enthalten sein müssen, sondern dass nur einige (aber nicht alle) Komponenten oder Schritte enthalten sein können.
  • Verschiedene nicht beschränkende Ausführungsformen beziehen sich auf einen Sensor, z.B. einen Fotosensor, wie z.B. einen auf einer Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) basierenden Fotosensor.
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen Querschnitt durch einen Sensor 100 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen zeigt.
  • Gemäß der Darstellung in 1 kann der Sensor 100 ein Substrat 110 umfassen. Das Substrat 110 kann eine erste Halbleiterschicht 112, eine zweite Halbleiterschicht 114 und eine vergrabene Isolatorschicht 116 aufweisen, die zwischen der ersten Halbleiterschicht 112 und der zweiten Halbleiterschicht 114 angeordnet ist. Der Sensor 100 kann ferner eine Fotodiode 120 umfassen, die in der ersten Halbleiterschicht 112 angeordnet ist; und er kann ein Quenchingwiderstandselement 130 umfassen, das mit der Fotodiode 120 elektrisch in Reihe geschaltet ist. Das Quenchingwiderstandselement 130 ist in der zweiten Halbleiterschicht 114 angeordnet und das Quenchingwiderstandselement 130 ist über der Fotodiode 120 angeordnet, aber durch die vergrabene Isolatorschicht 116 von der Fotodiode 120 getrennt.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen wird ein integrierter Sensor 100 bereitgestellt, bei dem die Fotodiode 120 und das Quenchingwiderstandselement 130 in getrennte Halbleiterschichten des Mehrschichtsubstrats 110 integriert sind, wobei das Quenchingwiderstandselement 130 die Fotodiode 120 überlappt. Auf diese Weise kann eine kleinere Grundfläche (Footprint) durch den Sensor 100 gemäß verschiedener nicht beschränkender Ausführungsformen erreicht werden. Dementsprechend kann durch den Sensor 100 gemäß verschiedener nicht beschränkender Ausführungsformen ein höherer Füllfaktor (FF: ein Verhältnis aus lichtempfindlicher Fläche zur gesamten Abbildungs- oder Pixelfläche) erreicht werden. Daher kann durch den Sensor 100 auch eine höhere Photonen-Detektionseffizienz (PDE) erreicht werden, da PDE = FF x PDP (Photonen-Detektionswahrscheinlichkeit).
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die erste Halbleiterschicht 112 des Substrats 110 ein Material aufweisen, wie z.B. Silizium (Si), Germanium (Ge), Silizium-Germanium (SiGe) oder Kombinationen davon.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die zweite Halbleiterschicht 114 des Substrats 110 ohne Beschränkung ein Material wie Silizium, Germanium, Silizium-Germanium, Germanium-Zinn (GeSn), Graphen, Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), Cadmiumsulfid (CdS) oder Kombinationen davon aufweisen.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die zweite Halbleiterschicht 114 des Substrats 110 ein einkristallines Halbleitermaterial aufweisen.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die vergrabene Isolatorschicht 116 des Substrats 110 ohne Beschränkung ein Material aufweisen, wie z.B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Yttriumoxid oder Kombinationen davon.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Substrat 110 ein Halbleiter-auf-Isolator-Substrat sein. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Halbleiter-auf-Isolator-Substrat 110 so bereitgestellt oder ausgebildet sein, dass die zweite Halbleiterschicht 114 des Substrats 110 eine einkristalline Halbleiterschicht sein kann. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann das Substrat 110 ein Silizium-auf-Isolator (SOI) -Substrat sein, wobei die zweite Halbleiterschicht 114 einkristallines Silizium aufweisen kann. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Substrat 110 ein vollständig verarmtes Silizium-auf-Isolator (FD-SOI) -Substrat sein.
  • Beispiele für das Halbleiter-auf-Isolator-Substrat 110 können ohne Beschränkung ein Silizium-auf-Isolator (SOI) -Substrat, ein Germanium-auf-Isolator (GeOl) -Substrat, ein SiGe-auf-Isolator (SiGe-OI) -Substrat sein, sind aber nicht darauf beschränkt, ein GeSn-auf-lsolator (GeSnOI) -Substrat, ein Graphen-auf-Isolator (Graphen-Ol) -Substrat, ein InGaAs-auf-Isolator (InGaAs-OI) -Substrat, ein CdS-auf-lsolator-Substrat oder Kombinationen davon sein.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Quenchingwiderstandselement 130 aus der zweiten Halbleiterschicht 114 gebildet werden und das gleiche Material wie die zweite Halbleiterschicht 114 aufweisen. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Quenchingwiderstandselement 130 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial gebildet werden. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der Quenchingwiderstand 130 einen einkristallinen Siliziumwiderstand umfassen. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Quenchingwiderstandselement 130 eine andere Art von Quenchingelektronik aufweisen, wie z.B. einen Quenchingtransistor.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen ist mindestens eine Länge oder eine Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements 130 so ausgebildet, dass ein gewünschter Quenchingwiderstand bereitgestellt wird. Mit anderen Worten, der Quenchingwiderstand kann durch Einstellen von entweder der Länge oder der Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements 130 oder von beiden eingestellt werden. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements 130 in einem Bereich von etwa 1e16 cm-3 bis etwa 1e17 cm-3 liegen. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen können das Quenchingwiderstandselement 130 und die zweite Halbleiterschicht 114 die gleiche Dotierstoffkonzentration oder unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen aufweisen. Die Länge des Quenchingwiderstandselements 130 kann in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 µm liegen, z.B. von 2 nm bis 1 µm, z.B. von 5 nm bis 500 nm, z.B. von 10 nm bis 100 nm, z.B. von 30 nm bis 50 nm. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der gewünschte Quenchingwiderstand größer oder gleich 100 kΩ betragen. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der gewünschte Quenchingwiderstand in einem Bereich von etwa 100 kΩ bis etwa 10 MΩ liegen.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann eine Breite des Quenchingwiderstandes 130 in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 1000 nm liegen, z.B. von 2nm bis 500 nm, z.B. von 5nm bis 50 nm. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Breite des Quenchingwiderstandselements 130 in einem Bereich von etwa 6 nm bis etwa 8 nm liegen. Das Breiten/Längen-Verhältnis (W/L) des Quenchingwiderstandselements 130 kann in einem Bereich von etwa 1/100 bis etwa 1/10 liegen. Die Dicke des Quenchingwiderstandselementes 130 kann in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 µm liegen, z.B. von 2 nm bis 1 µm, z.B. von 5 nm bis 500 nm, z.B. von 6 nm bis 10 nm. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Dicke des Quenchingwiderstandselements 130 in einem Bereich von etwa 6 nm bis etwa 8 nm liegen.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen ist die Größe des Quenchingwiderstandselements 130, z.B. die Länge oder die Fläche des Quenchingwiderstandselements 130, wesentlich kleiner als die Größe der Fotodiode 120, so dass nur ein kleiner Teil (z.B. weniger als 50%, z.B. weniger als 20%, z.B. weniger als 10%, z.B. weniger als 1%, z.B. weniger als 0,1%) der Fotodiode 120 von dem darauf angeordneten Quenchingwiderstandselement 130 bedeckt wird. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann ein Durchmesser oder eine Breite der Fotodiode 120 in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 100 µm liegen, z.B. von etwa 100 nm bis etwa 10 µm, z.B. von etwa 200 nm bis etwa 900 nm. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform kann die Fotodiode 120 einen Durchmesser von etwa 10 µm aufweisen, viel größer als das Quenchingwiderstandselement 130, das eine Länge von etwa 100 nm und eine Breite von etwa 10 nm aufweisen kann.
  • Obwohl in den obigen nicht beschränkenden Ausführungsformen beispielhafte Bereiche für die Abmessungen des Quenchingwiderstandselements 130 und der Fotodiode 120 beschrieben sind, wird davon ausgegangen, dass die Abmessungen des Quenchingwiderstandselements 130 und der Fotodiode 120 in Abhängigkeit von den Konstruktionsentscheidungen oder -anforderungen oder der Technologieentwicklung größer oder kleiner als die obigen beispielhaften Wertebereiche ausgebildet werden können.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Fotodiode 120 eine Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) aufweisen, die so ausgebildet ist, dass sie für die Erfassung von Photonen in Sperrrichtung vorgespannt ist.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen weist die Fotodiode 120 eine Lichteinfallsfläche auf, die unter der vergrabenen Isolatorschicht 116 angeordnet ist. Das Quenchingwiderstandselement 130 ist über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 angeordnet und die zweite Halbleiterschicht 114 ist über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 im Wesentlichen nicht vorhanden, so dass die Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 so ausgebildet ist, dass sie Licht durch die vergrabene Isolatorschicht 116 hindurch aufnimmt. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen ist über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 eine Ausleseschaltung für den Sensor 100, die den Lichteinfall behindern oder die Lichtbeleuchtung blockieren kann, nicht vorhanden, so dass die Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 so ausgebildet ist, dass sie Licht durch die vergrabene Isolatorschicht 116 hindurch aufnimmt. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Ausleseschaltung so ausgebildet sein, dass sie einen Lawinenstrom der Fotodiode 120, der durch ein einfallendes Photon ausgelöst wird, erfasst und ein entsprechendes Ausgangssignal (z.B. einen digitalen Ausgangsimpuls) erzeugt, das die Erfassung des einfallenden Photons anzeigt. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Ausleseschaltung einen Zeit-Digital-Wandler (TDC) umfassen.
  • In den in 1 gezeigten nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Oberseite der Fotodiode 120, die mit der vergrabenen Isolatorschicht 116 in Kontakt ist, die Lichteinfallsfläche sein und die zweite Halbleiterschicht 114 ist über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 im Wesentlichen nicht vorhanden, z.B. sie bedeckt nur einen ausreichend kleinen Teil der Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 zusammen mit dem Quenchingwiderstandselement 130. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die zweite Halbleiterschicht 114 mit Ausnahme des darin ausgebildeten Quenchingwiderstandselements 130 über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 vollständig fehlen, wie in den nicht beschränkenden Ausführungsformen von 2 unten gezeigt ist. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die vergrabene Isolatorschicht 116 über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 im Wesentlichen freiliegen, d.h. die zweite Halbleiterschicht 114 und eine andere Elektronik (z.B. Ausleseschaltung für den Sensor 100) sind nicht auf einem wesentlichen Teil der vergrabenen Isolatorschicht 116 über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 vorhanden, wodurch eine stirnseitige Beleuchtung (FSI) des Sensors 100 ermöglicht wird, bei der Licht durch die vergrabene Isolatorschicht 116 zur Vorderseite der Fotodiode 120 übertragen wird.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der Sensor 100 ferner eine Anode (in 1 nicht dargestellt), die elektrisch mit einem Bereich vom P-Typ der Fotodiode 120 verbunden ist, und eine Kathode (in 1 nicht dargestellt) aufweisen, die elektrisch mit einem Bereich vom N-Typ der Fotodiode 120 verbunden ist. Die Anode und die Kathode können über einer Peripherie der Fotodiode 120 angeordnet sein und sind über einen Isolationsbereich (nicht in 1 dargestellt), der zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht 112 angeordnet ist, voneinander beabstandet.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Quenchingwiderstandselement 130 über ein weiteres, zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht 112 angeordnetes Isolationsgebiet von Anode und Kathode beabstandet sein.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 200 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen und 3 zeigt eine Draufsicht des Sensors 200 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen. Der Sensor 200 ähnelt dem Sensor 100 aus 1 und daher sind gemeinsame Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Verschiedene mit Bezug auf 1 beschriebene Ausführungsformen gelten analog für den Sensor 200 von 2 und 3 und umgekehrt.
  • Ähnlich wie beim Sensor 100 kann der Sensor 200 das Substrat 110 mit der ersten Halbleiterschicht 112, der zweiten Halbleiterschicht 114 und der vergrabenen Isolatorschicht 116, die zwischen der ersten Halbleiterschicht 112 und der zweiten Halbleiterschicht 114 angeordnet ist, umfassen. Der Sensor 200 kann ferner die Fotodiode 120 aufweisen, die in der ersten Halbleiterschicht 112 angeordnet ist; und er kann das Quenchingwiderstandselement 130 aufweisen, das mit der Fotodiode 120 elektrisch in Reihe geschaltet ist. Das Quenchingwiderstandselement 130 ist in der zweiten Halbleiterschicht 114 angeordnet und das Quenchingwiderstandselement 130 ist über der Fotodiode 120 angeordnet, aber durch die vergrabene Isolatorschicht 116 von der Fotodiode 120 getrennt.
  • Wie in verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen oben beschrieben, kann das Substrat 110 ein Halbleiter-auf-Isolator-Substrat sein, das so vorgesehen oder ausgebildet sein kann, dass die zweite Halbleiterschicht 114 des Substrats 110 eine einkristalline Halbleiterschicht sein kann. Beispiele für das Halbleiter-auf-Isolator-Substrat 110 können unter anderem ein Silizium-auf-Isolator (SOI) -Substrat, ein Germanium-auf-Isolator (GeOI) -Substrat, ein SiGe-auf-Isolator (SiGe-OI) -Substrat, ein GeSn-auf-Isolator (GeSnOl) -Substrat, ein Graphen-auf-Isolator (Graphen-OI) -Substrat, ein InGaAs-auf-Isolator (InGaAs-OI) -Substrat, ein CdS-auf-lsolator-Substrat oder Kombinationen davon sein. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann das Substrat 110 ein Silizium-auf-Isolator-Substrat sein, wobei die zweite Halbleiterschicht 114 einkristallines Silizium enthalten kann. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Substrat 110 ein vollständig verarmtes Silizium-auf-Isolator-Substrat (FD-SOI) sein.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Quenchingwiderstandselement 130 in oder aus der zweiten Halbleiterschicht 114 gebildet werden und das gleiche Material wie die zweite Halbleiterschicht 114 aufweisen. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Quenchingwiderstandselement 130 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial gebildet sein. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der Quenchingwiderstand 130 einen einkristallinen Siliziumwiderstand aufweisen. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Quenchingwiderstandselement 130 eine andere Art von Quenchingelektronik umfassen, wie z.B. einen Quenchingtransistor.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Fotodiode 120 eine Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) aufweisen, die so ausgebildet ist, dass sie für die Photonendetektion in Sperrrichtung vorgespannt ist.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Fotodiode 120 einen ersten Leitfähigkeitsbereich 222 und einen zweiten Leitfähigkeitsbereich 224 aufweisen, die einen P-N-Übergang bilden. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der erste Leitfähigkeitsbereich 222 ein Bereich vom P-Typ und der zweite Leitfähigkeitsbereich 224 ein Bereich vom N-Typ sein. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen können die Leitfähigkeitstypen umgekehrt sein, so dass der erste Leitfähigkeitsbereich 222 und der zweite Leitfähigkeitsbereich 224 jeweils ein Bereich vom N-Typ und ein Bereich vom P-Typ sein können.
  • In verschiedenen hier beschriebenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der zweite Leitfähigkeitsbereich 224 eine tiefe N-Wanne sein, die in der ersten Halbleiterschicht 112 angeordnet ist, und der erste Leitfähigkeitsbereich 222 kann eine P-Wanne sein, die über der tiefen N-Wanne 224 angeordnet ist. Es wird davon ausgegangen, dass die Leitfähigkeitstypen des ersten Leitfähigkeitsbereichs 222 und des zweiten Leitfähigkeitsbereichs 224 in anderen Ausführungsformen entsprechend umgekehrt sein können.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann wenigstens einer von dem Bereich 222 vom P-Typ und dem Bereich 224 vom N-Typ einen oder mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Dotierstoffkonzentrationen aufweisen. Zum Beispiel kann der Bereich 222 vom P-Typ einen P+-Bereich aufweisen, der über einem P-Wannenbereich angeordnet ist. Der Bereich 224 vom N-Typ kann einen N+-Bereich aufweisen, der unter einem N-Wannenbereich angeordnet ist. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen können der erste Leitfähigkeitsbereich 222 und der zweite Leitfähigkeitsbereich 224 in verschiedenen geeigneten Konfigurationen angeordnet werden, um die Single-Photon-Avalanche-Diode zu bilden.
  • In verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen weist die Fotodiode 120 eine Lichteinfallsfläche 221 auf, die unter der vergrabenen Isolatorschicht 116 angeordnet ist. Die Lichteinfallsfläche 221 ist die Oberseite oder die Frontfläche der Fotodiode 120, von deren Seite einfallendes Licht oder Photon empfangen wird.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen ist das Quenchingwiderstandselement 130 über der Lichteinfallsfläche 221 der Fotodiode 120 angeordnet und die zweite Halbleiterschicht 114 ist über der Lichteinfallsfläche 221 der Fotodiode 120 im Wesentlichen nicht vorhanden, so dass die Lichteinfallsfläche 221 der Fotodiode 120 so ausgebildet ist, dass sie Licht durch die vergrabene Isolatorschicht 116 hindurch aufnimmt. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen fehlt über der Lichteinfallsfläche 221 der Fotodiode 120 eine Ausleseschaltung für den Sensor 200, die den Lichteinfall verhindern oder die Beleuchtung blockieren kann, so dass die Lichteinfallsfläche 221 der Fotodiode 120 so ausgebildet ist, dass sie Licht durch die vergrabene Isolatorschicht 116 empfängt. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Ausleseschaltung einen Zeit-Digital-Wandler aufweisen.
  • Im Unterschied zu den nicht beschränkenden Ausführungsformen von 1, in denen die zweite Halbleiterschicht 114 teilweise über der vergrabenen Isolatorschicht 116 beibehalten wird, ist die zweite Halbleiterschicht 114 im Sensor 200 von 2 bis auf das darin gebildete Quenchingwiderstandselement 130 vollständig entfernt. Das Quenchingwiderstandselement 130 kann beispielsweise durch ein Ätzen der zweiten Halbleiterschicht 114 gebildet werden, um das Quenchingwiderstandselement 130 in der gewünschten oder vorbestimmten Form zu bilden. In den nicht beschränkenden Ausführungsformen von 2 kann der Rest der zweiten Halbleiterschicht 114 so entfernt werden, dass nur der Teil der zweiten Halbleiterschicht 114, der das Quenchingwiderstandselement 130 bildet, über der Fotodiode 120 und der vergrabenen Isolatorschicht 116 angeordnet und beibehalten wird. Dementsprechend kann die vergrabene Isolatorschicht 116 über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 im Wesentlichen freigelegt werden. Mit anderen Worten, die zweite Halbleiterschicht 114 und eine andere Elektronik (z.B. eine Ausleseschaltung für den Sensor 200), die den Lichteinfall behindern oder die Beleuchtung blockieren kann, sind auf einem wesentlichen Teil der vergrabenen Isolatorschicht 116 über der Lichteinfallsfläche 221 der Fotodiode 120 nicht vorhanden, wodurch die Beleuchtung der Vorderseite des Sensors 200 ermöglicht wird.
  • Gemäß der Aufsicht auf den Sensor 200 in 3 weist das Quenchingwiderstandselement 130 die Form eines Halbkreises auf, der über der oberen Fläche der Fotodiode 120 angeordnet ist, was in der Querschnittsansicht von 2 entlang der Linie A-A' von 3 als zwei Segmente 130 dargestellt ist. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Quenchingwiderstandselement 130 in jeder anderen geeigneten Form vorliegen, Beispiele hierfür sind u.a. Bogen, Kreis, Finne, Nanodraht, Nanoband, Quadrat, Rechteck usw. Die Form und/oder Länge des Quenchingwiderstandselements 130 kann zur Widerstandsoptimierung ausgebildet oder angepasst sein.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen ist die Größe des Quenchingwiderstandselementes 130, z.B. die Länge oder die Fläche des Quenchingwiderstandselementes 130, wesentlich kleiner als die Größe der Fotodiode 120, so dass nur ein kleiner Teil (z.B. weniger als 50%, z.B. weniger als 20%, z.B. weniger als 10%, z.B. weniger als 1%, z.B. weniger als 0,1%) der Fotodiode 120 von dem darauf angeordneten Quenchingwiderstandselement 130 bedeckt wird. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der Durchmesser oder die Breite der Fotodiode 120 in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 100 µm liegen, z.B. von etwa 100 nm bis etwa 10 µm, z.B. von etwa 200 nm bis etwa 900 nm. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform kann die Fotodiode 120 einen Durchmesser von etwa 10 µm haben, viel größer als das Quenchingwiderstandselement 130, das eine Länge von etwa 100 nm und eine Breite von etwa 10 nm aufweisen kann.
  • Gemäß der Darstellung in 3 kann die Fotodiode 120 eine kreisförmige Form aufweisen. Es wird davon ausgegangen, dass die Fotodiode 120 auch in anderen geeigneten Formen, wie z.B. quadratisch oder rechteckig, ausgeführt sein kann. Aufgrund der relativ kleinen Größe des Quenchingwiderstandselements 130, das über der Fotodiode 120 angeordnet ist, ist ein beträchtlich großer Teil der Fotodiode 120 in der Lage, von der Vorderseite einfallendes Licht aufzunehmen. Das Quenchingwiderstandselement 130 kann, wie in den nicht beschränkenden Ausführungsformen von 3 gezeigt ist, in der Nähe einer Peripherie der Fotodiode 120 angeordnet sein oder aufgrund seiner geringen Größe an jeder geeigneten Stelle über der Oberseite 221 der Fotodiode 120 angeordnet sein.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen ist mindestens die Länge oder die Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements 130 so ausgebildet, dass ein gewünschter Quenchingwiderstand (z.B. in einem Bereich von etwa 100 kΩ bis etwa 10 MΩ) erreicht wird. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements 130 in einem Bereich von etwa 1e16 cm-3 bis etwa 1e17 cm-3 liegen. Die Länge des Quenchingwiderstandselements 130 kann in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 µm liegen, z.B. von 2 nm bis 1 µm, z.B. von 5 nm bis 500 nm, z.B. von 10 nm bis 100 nm, z.B. von 30 nm bis 50 nm.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der Sensor 200 ferner eine Anode 242, die elektrisch mit dem Bereich 222 vom P-Typ der Fotodiode 120 verbunden ist, und eine Kathode 244 aufweisen, die mit dem Bereich 224 vom N-Typ der Fotodiode 120 elektrisch verbunden ist. Es versteht sich, dass die Positionen der Anode 242 und der Kathode 244 in den nicht beschränkenden Ausführungsformen ausgetauscht werden können, wobei der Bereich 222 der Bereich vom N-Typ und der Bereich 224 der Bereich vom P-Typ ist, wie oben beschrieben ist.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Anode 242 auf dem Bereich 222 vom P-Typ der Fotodiode 120 angeordnet sein, z.B. in direktem Kontakt mit dem Bereich vom P-Typ 222. Die Kathode 244 kann über dem Bereich 224 vom N-Typ der Fotodiode 120 angeordnet sein. Die Kathode 244 kann über einen dritten Leitfähigkeitsbereich 226, der in der ersten Halbleiterschicht 112 angeordnet ist, mit dem Bereich 224 vom N-Typ der Fotodiode 120 elektrisch verbunden sein. Der dritte Leitfähigkeitsbereich 226 kann in den nicht beschränkenden Ausführungsformen eine N-Wanne sein, wobei der Bereich 224 ein Bereich vom N-Typ ist, oder er kann in den nicht beschränkenden Ausführungsformen eine P-Wanne sein, wobei der Bereich 224 ein Bereich vom P-Typ ist. Die dritte Leitfähigkeitsregion 226 kann zwischen der Kathode 244 und dem Bereich 224 vom N-Typ angeordnet sein.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen können die Anode 242 und die Kathode 244 über einen Umfang der Fotodiode 120 angeordnet sein, wie in 2 und 3 gezeigt ist. Die Anode 242 und die Kathode 244, die über der Peripherie der Fotodiode 120 angeordnet sind, können so verstanden werden, dass die Anode 242 und die Kathode 244 über der Fotodiode 120 und nahe der Peripherie der Fotodiode 120 angeordnet sind. In der Aufsicht können die Anode 242 und die Kathode 244, wie in den nicht beschränkenden Ausführungsformen von 3 gezeigt ist, innerhalb des Umfangs der Fotodiode 120, aber nahe dazu, angeordnet sein oder sie können so angeordnet sein, dass sie den Umfang der Fotodiode 120 in anderen nicht beschränkenden Ausführungsformen zumindest teilweise überlappen. Die Anode 242 und die Kathode 244 können über einen Isolationsbereich 252, der zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht 112 angeordnet ist, voneinander beabstandet sein. Der Isolationsbereich 252 kann seitlich zwischen der Anode 242 und der Kathode 244 angeordnet sein. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der Isolationsbereich 252 eine Flachgrabenisolation (STI) sein. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen können die Anode 242 und die Kathode 244 die Form eines kreisförmigen Rings (wie z.B. in 3 gezeigt) oder eines rechteckigen Rings über den Umfang der Fotodiode 120 aufweisen, was im Wesentlichen der Form der Fotodiode 120 entspricht.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Quenchingwiderstandselement 130 über einen weiteren Isolationsbereich 254, der zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht 112 angeordnet ist, von der Anode und der Kathode beabstandet sein. Die weitere Isolationszone 254 kann eine Flachgrabenisolation (STI) sein. Der weitere Isolationsbereich 254 kann seitlich zwischen dem Widerstandselement 130 und der Anode 242, der Kathode 244, angeordnet sein.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der zusätzliche Isolationsbereich 256 zumindest teilweise um die Peripherie der Fotodiode 120 und zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht 112 angeordnet sein, um die Fotodiode 120 von benachbarten Komponenten zu isolieren, wie z.B. einem weiteren Sensor, der eine ähnliche Struktur wie der Sensor 200 aufweist und im gleichen Substrat 110 angeordnet ist.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Komponenten durch eine Vielzahl von Kontakten 262 und Durchkontaktierungen 264 hergestellt werden, die in einer dielektrischen Schicht 260 angeordnet sind, z.B. einer dielektrischen Zwischenschicht (ILD-Schicht 260). Die dielektrische Schicht 260 kann über der vergrabenen Isolatorschicht 116 angeordnet sein und bedeckt die jeweiligen Komponenten einschließlich des Quenchingwiderstandselements 130, der Anode 242, der Kathode 244, der Isolationsbereiche 252, 254, 256 usw.
  • In verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen, wie in 2 und 3 gezeigt, kann das Quenchingwiderstandselement 130 einen Anschluss aufweisen, der über eine oder mehrere der Durchkontaktierungen 264 und die Kontakte 262 mit Masse (GND) elektrisch verbunden ist. Der andere Anschluss des Quenchingwiderstandselements 130 kann über eine oder mehrere der Durchkontaktierungen 264 und die Kontakte 262 mit der Anode 242 elektrisch verbunden und dadurch über die Anode 242 mit der Fotodiode 120 in Reihe geschaltet sein. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen, wie in 3 dargestellt ist, sind das Quenchingwiderstandselement 130 und die Anode 242 mit einem Ausgangsknoten 370 verbunden, der weiter mit einer Ausleseschaltung (in 2 und 3 nicht dargestellt), wie z.B. einem Zeit-Digital-Wandler (TDC), verbunden sein kann. Der Einfachheit halber sind der Ausleseschaltkreis und die kompletten BEOL (Back End of Line) - Metallleitungen in 3 nicht dargestellt.
  • 4 zeigt eine Ersatzschaltung 400 des Sensors 200 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen. Gemäß der Darstellung in 4 ist ein Anschluss des Quenchingwiderstandselements 130 geerdet und der andere Anschluss des Quenchingwiderstandselements 130 ist über die Anode 242 mit der Fotodiode 120 elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Anode 242 mit dem Ausgangsknoten 370 zur elektrischen Verbindung mit dem TDC verbunden ist. Eine Betriebsspannung Vop, die eine Durchbruchspannung VB um eine Überspannung VE übersteigt, kann an die Kathode 244 angelegt werden, um die Fotodiode 120 in Sperrrichtung vorzuspannen. Bei der Sperrvorspannung Vop kann ein durch Photonen erzeugter Träger einen großen Lawinenstrom auslösen. Die Vorderflanke des Lawinenstroms kann vom TDC erfasst werden und ein mit dem Lawinenaufbau synchroner digitaler Ausgangsimpuls kann vom TDC erzeugt werden, der die Detektion des ankommenden Photons anzeigt. Das Quenchingwiderstandselement 120 stoppt dann den selbsterhaltenden Lawinenstrom, um Schäden an der Fotodiode 130 zu vermeiden und ein nachfolgendes Photon zu erkennen.
  • Obwohl 4 eine Schaltungskonfiguration des Sensors 200 zeigt, wird davon ausgegangen, dass der Sensor 200 in anderen geeigneten Schaltungskonfigurationen gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen ausgebildet sein kann. 5 zeigt eine Schaltungskonfiguration 500 des Sensors 200 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen.
  • Gemäß der Darstellung in 5 ist das Quenchingwiderstandselement 130 mit der Fotodiode 120 elektrisch in Reihe geschaltet, ähnlich der Schaltungskonfiguration von 4. Im Unterschied zu den Ausführungsformen von 4 ist die Fotodiode 120 in der Schaltungskonfiguration 500 von 5 durch die Anode geerdet. Ein Anschluss des Quenchingwiderstandselements 130 ist so ausgebildet, dass er auf die Betriebsspannung Vop vorgespannt wird. Der andere Anschluss des Quenchingwiderstandselements 130 ist mit der Fotodiode 120 über die Kathode 244 elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Kathode 244 mit dem Ausgangsknoten 370 zur elektrischen Verbindung mit dem TDC verbunden ist.
  • Gemäß der Darstellung in den Ausführungsformen von 2 und 3 weist das Quenchingwiderstandselement 130 eine halbkreisförmige Form auf. 6 zeigt eine Aufsicht auf einen Sensor 600 gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei das Quenchingwiderstandselement 130 die Gestalt eines kurzen Bogens haben kann. Der Sensor 600 ähnelt dem Sensor 100, 200 der 1-3 und daher sind die gemeinsamen Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Verschiedene Ausführungsformen, die mit Bezug auf 1-5 beschrieben sind, gelten analog auch für den Sensor 600 von 6 und umgekehrt.
  • Gemäß der Darstellung in 6 ist der Sensor 600 dem Sensor 200 ähnlich und weist das über der Fotodiode 120 angeordnete Quenchingwiderstandselement 130 auf. Die Anode 242 und die Kathode 244 können über der Peripherie der Fotodiode 120 angeordnet und entsprechend mit dem Bereich vom P-Typ und dem Bereich vom N-Typ der Fotodiode 120 elektrisch verbunden sein. Wie in den nicht beschränkenden Ausführungsformen von 6 gezeigt, kann das Quenchingwiderstandselement 130 ein kurzer Bogen sein, dessen Länge viel kleiner ist als die Länge des halbkreisförmigen Quenchingwiderstandselements 130 aus 3. Dementsprechend wird im Sensor 600 weniger Fläche der Lichteinfallsfläche der Fotodiode 120 durch das Quenchingwiderstandselement 130 abgeschirmt und für die Lichtbeleuchtung mehr Raum zur Verfügung gestellt, als beim halbkreisförmigen Quenchingwiderstandselement 130 aus 3.
  • In verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Gestalt des Quenchingwiderstandselements 130 in Abhängigkeit von der Länge und der Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements 130 oder von beiden ausgebildet oder ausgewählt werden, die wiederum in Abhängigkeit vom gewünschten Quenchingwiderstand ausgebildet oder ausgewählt sein können.
  • 7 zeigt einen Graphen 700, der eine Beziehung zwischen dem Widerstand (R) und der Länge (L) für das Quenchingwiderstandselement bei verschiedenen Dotierstoffkonzentrationen in Abhängigkeit von verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen zeigt.
  • In den nicht beschränkenden Ausführungsformen von 7 können die jeweiligen Werte des Quenchingwiderstandselements unter Verwendung des Quenchingwiderstandselements 130, das oben in verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen beschrieben ist, gemessen werden. Das Quenchingwiderstandselement 130 kann auf der zweiten Halbleiterschicht 114 des Substrats 110 gebildet werden, wobei das Substrat 110 ein 22 nm FD-SOI-Substrat sein kann. Die zweite Halbleiterschicht 114 des Substrats 110, in der das Quenchingwiderstandselement 130 angeordnet oder ausgebildet ist, kann eine dotierte Siliziumschicht mit einer Dicke von etwa 6-8 nm, z.B. 7 nm, sein. Die Fotodiode 120 kann einen Durchmesser von etwa 0,3 µm aufweisen und die kritische Abmessung (CD) des Quenchingwiderstandselements 130 kann etwa 50 nm betragen.
  • Gemäß der Darstellung in 7 stellt die horizontale Achse die Länge (L) des Quenchingwiderstandselements 130 dar und die vertikale Achse stellt den Widerstand (R) des Quenchingwiderstandselements 130 dar. Die Kurven 702, 704, 706 stellen den Widerstand (R) in Abhängigkeit von der Länge (L) des Quenchingwiderstandselements 130 entsprechend bei den Dotierstoffkonzentrationen 1e16 cm-3, 5e16 cm-3 und 1e17 cm-3 dar. Bei einer gegebenen Länge wird der Widerstand des Quenchingwiderstandselements 130 erhöht, wenn die Dotierstoffkonzentration von 1e17 cm-3 auf 1e16 cm-3 verringert wird. Bei der gegebenen Dotierstoffkonzentration wird der Widerstand des Quenchingwiderstandes 130 erhöht, wenn die Länge des Quenchingwiderstandes 130 vergrößert wird. Gemäß dem Diagramm von 7 kann das in einer größeren Länge und einer niedrigeren Dotierstoffkonzentration ausgebildete Quenchingwiderstandselement 130 einen größeren Widerstand ergeben.
  • Gemäß der Darstellung in 7 ist das gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen bereitgestellte Quenchingwiderstandselement 130 dazu in der Lage, einen gewünschten Quenchingwiderstand RQ > 100kΩ für alle Dotierstoffkonzentrationen bereitzustellen, wenn die Länge des Quenchingwiderstandselements 130 größer als etwa 0,03 µm ist.
  • Gemäß den in 7 gezeigten Ergebnissen kann der Quenchingwiderstand 130 im Sensor 100, 200, 600 der verschiedenen oben genannten nicht beschränkenden Ausführungsformen einen einstellbaren Quenchingwiderstand erreichen und die Anforderung an den Quenchingwiderstand (z.B. über 100 kΩ bis 10 MΩ) mit einer kurzer Länge erfüllen. Der Quenchingwiderstand 130, der in der oberen einkristallinen Halbleiterschicht 114 des Substrats 110 ausgebildet ist, kann zur Widerstandsoptimierung in verschiedenen Gestalten (z.B. Bogen, Kreis, Quadrat, Rechteck, Finne, Nanodraht, Nanoband usw.) ausgebildet sein.
  • In einer illustrativen, nicht beschränkenden Ausführungsform kann das Quenchingwiderstandselement 130 in einer bogenförmigen Gestalt sein, wie im Sensor 600 von 6 gezeigt ist, wobei das Quenchingwiderstandselement 130 1/32 eines Kreises sein kann, der im FD-SOI-Substrat mit der oberen Si-Schicht von etwa 7 nm Dicke und einer Dotierstoffkonzentration von etwa 1e16 cm-3 gebildet ist. Das Quenchingwiderstandselement 130 mit einer Länge von etwa 0,03 µm ist dazu in der Lage, einen Widerstand von etwa 840 kΩ bereitzustellen, wie im Fall 1 von Tabelle 1 unten gezeigt ist. Daher ist der Sensor 600 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen in der Lage, einen niedrigen Füllfaktor und eine Beleuchtung der Vorderseite zu erreichen.
  • Tabelle 1 zeigt weiterhin Parameter von konventionellen Polysilizium (Poly-Si) -Quenchingwiderständen in verschiedenen Gestalten. In Fall 2 weist der konventionelle Polysilizium-Quenchingwiderstand die Gestalt eines Kreises auf und stellt einen Widerstand von 38 kΩ bei einer Länge von 0,94 µm und einer Dicke von 100 nm bereit. Es ist zu beobachten, dass der konventionelle Polysilizium-Quenchingwiderstand eine viel größere Abmessung aufweist als der Quenchingwiderstand 130 von verschiedenen nicht begrenzenden Ausführungsformen, aber einen viel kleineren Widerstand bietet, der niedriger ist als der erforderliche Quenchingwiderstand von mindestens 100 kΩ. Um die Anforderung an den Quenchingwiderstand zu erfüllen, muss die Abmessung des herkömmlichen Polysilizium-Quenchingwiderstands stark vergrößert werden, wodurch mehr Platz außerhalb der Fotodiode verbraucht würde und der Füllfaktor des Sensors niedrig wäre.
  • In Fall 3 weist der konventionelle Polysilizium-Quenchingwiderstand die Gestalt einer Spule auf und bietet einen Widerstand von 105 kΩ bei einer Länge von 2,1 µm und einer Dicke von 100 nm. Es ist zu beobachten, dass der konventionelle Polysilizium-Quenchingwiderstand gemäß Fall 3 eine viel größere Abmessung aufweist als der Quenchingwiderstand 130 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen, aber nur einen Widerstand liefern konnte, der viel niedriger ist als der Quenchingwiderstand 840 kΩ, den der kleinere Quenchingwiderstand 130 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen bietet. Der herkömmliche spulenförmige Polysilizium-Quenchingwiderstand von Fall 3 weist eine große Abmessung auf, die die gesamte Lichteinfallsfläche der Fotodiode abdecken und die Beleuchtung blockieren würde, so dass eine stirnseitige Beleuchtung nicht möglich ist. Tabelle 1: Vergleich von verschiedenen Quenchwiderständen
    Fall Bedingung Dicke [nm] Länge [µm] R [kΩ] >100 kΩ
    1 FD-SOI: 1/32 von Kreis 7 0,03 840 Ja
    2 Quenchingwiderstand aus Poly-Si: 1 Kreis 100 0,94 38 Nein
    3 Quenchingwiderstand aus Poly-Si: mit Spule 100 2,1 105 Ja
  • 8A zeigt einen bekannten Sensorchip 800 mit einer SPAD 810, einem Quenchingwiderstand (QR) 820 und einer seitlich angeordneten digitalen Elektronik 830. Der Footprint des Sensorchips 800 beträgt 100%, einschließlich der SPAD 810 von 25%, des QR von 25% und der digitalen Elektronik von 50% (Footprint = SPAD + QR + Digital = 100%). Der Füllfaktor ohne die digitale Elektronik beträgt 50%, gemäß der Gleichung „FF (ohne Digital) = SPAD / (SPAD + QR) = 50%“. Der Füllfaktor des Sensorchips 800 beträgt 25%, gemäß der Gleichung „FF = SPAD / Footprint = 25%“.
  • 8B zeigt einen Sensor 850 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen. Bei dem Sensor 850 kann es sich um die Sensoren 100, 200, 600 handeln, die oben in verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen beschrieben sind. Der Sensor 850 weist die SPAD und den QR auf, die in getrennten Halbleiterschichten des Mehrschichtsubstrats integriert sind. Der QR ist über der SPAD angeordnet und überlappt die SPAD. Dementsprechend nimmt die integrierte SPAD + QR 860 25% des Platzes des Sensors 850 ein, wodurch der 25%ige Platzbedarf des QR 820 des Sensors 800 gemäß dem Stand der Technik eingespart wird. Der Sensor 850 kann ferner die digitale Elektronik 870 (z.B. den TDC) aufweisen, die 50% Platz verbraucht. Dementsprechend beträgt der Platzbedarf des Sensors 850 75% (Platzbedarf=SPAD + QR + Digital = 75%). Der Füllfaktor ohne die digitale Elektronik beträgt 100%, entsprechend der Gleichung „FF (ohne Digital) = SPAD / (SPAD + QR) = 100%“. Der Füllfaktor des Sensors 850 beträgt 33%, gemäß der Gleichung „FF = SPAD / Footprint = 25% / 75% = 33%“.
  • Im Vergleich zum Stand der Technik des Sensorchips 800 erreicht der Sensor 850 von verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen einen 50% höheren FF (ohne digitale Elektronik) und spart 25% an Grundfläche ein, basierend auf 0,13 µm CMOS.
  • Verschiedene nicht beschränkende Ausführungsformen oben stellen einen integrierten Sensor 100, 200, 600, 850 bereit, wobei die Fotodiode 120 und das Quenchingwiderstandselement 130 in getrennte Halbleiterschichten des Mehrschichtsubstrats 110 integriert sind, wobei das Quenchingwiderstandselement 130 die Fotodiode 120 überlappt. Auf diese Weise kann eine kleinere Grundfläche durch den Sensor 100, 200, 600, 850 von verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen erreicht werden. Ferner könnte durch die Anordnung des Quenchingwiderstandselements 130 in der zweiten Halbleiterschicht 114 des Mehrschichtsubstrats 110 in einer kleinen Größe oder Fläche ein gewünschter hoher Quenchingwiderstand erreicht werden und dementsprechend wird nur ein kleiner Teil der Fotodiode 120 von dem Quenchingwiderstandselement 130 überlappt oder bedeckt. Daher kann durch den Sensor 100, 200, 600, 850 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen ein höherer Füllfaktor und eine höhere Photonendetektionseffizienz erreicht werden.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann ein Sensorarray bereitgestellt werden, in dem eine Vielzahl von Sensoren 100, 200, 600 in Array- oder Matrixform angeordnet sein kann. Die mehreren Sensoren 100, 200, 600 können elektrisch parallel geschaltet sein und sich die in 8B gezeigte gemeinsame digitale Elektronik 870 teilen.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zur Bildung des Sensors 100, 200, 600, 850 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen beschrieben.
  • 9 zeigt ein Flussdiagramm 900, das ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen zeigt. Das Verfahren kann verwendet werden, um den Sensor 100, 200, 600, 850 gemäß verschiedenen oben beschriebenen nicht beschränkenden Ausführungsformen zu bilden. Verschiedene nicht beschränkende Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit dem Sensor beschrieben sind, gelten analog für das jeweilige Verfahren und umgekehrt.
  • Bei 902 kann ein Substrat bereitgestellt werden. Das Substrat kann eine erste Halbleiterschicht, eine zweite Halbleiterschicht und eine vergrabene Isolatorschicht, die zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, aufweisen.
  • Bei 904 kann eine Fotodiode in der ersten Halbleiterschicht gebildet werden.
  • Bei 906 kann ein Quenchingwiderstandselement in der zweiten Halbleiterschicht gebildet werden. Das Quenchingwiderstandselement ist mit der Fotodiode elektrisch in Reihe geschaltet; und das Quenchingwiderstandselement ist über der Fotodiode angeordnet, aber durch die vergrabene Isolatorschicht von der Fotodiode getrennt.
  • Wie in verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen oben beschrieben kann das Substrat als ein Halbleiter-auf-Isolator-Substrat bereitgestellt werden, das so vorbereitet oder gebildet werden kann, dass die zweite Halbleiterschicht des Substrats eine einkristalline Halbleiterschicht sein kann. Zum Beispiel kann das Halbleiter-auf-Isolator-Substrat unter Verwendung der SIMOX-Methode (Trennung durch Implantation von Sauerstoff), des Wafer-Bonding oder der Seed-Methode vorbereitet oder gebildet werden. Beispiele für das Halbleiter-auf-Isolator-Substrat können unter anderem ein Silizium-auf-Isolator (SOI) -Substrat, ein Germanium-auf-Isolator (GeOI) -Substrat, ein SiGe-auf-Isolator (SiGe-OI) -Substrat, ein GeSn-auf-Isolator (GeSnOI) -Substrat, ein Graphen-auf-Isolator (Graphen-Ol) -Substrat, ein InGaAs-auf-lsolator (InGaAs-OI) -Substrat, ein CdS-auf-lsolator-Substrat oder Kombinationen davon sein. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die zweite Halbleiterschicht ein einkristallines Halbleitermaterial aufweisen. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann das Substrat ein Silizium-auf-Isolator-Substrat sein, wobei die zweite Halbleiterschicht einkristallines Silizium aufweisen kann. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Substrat ein vollständig verarmtes Silizium-auf-Isolator-Substrat (FD-SOI) sein.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Quenchingwiderstandselement aus der zweiten Halbleiterschicht gebildet werden und das gleiche Material wie die zweite Halbleiterschicht aufweisen. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die zweite Halbleiterschicht geätzt werden, um das über der Fotodiode angeordnete Quenchingwiderstandselement zu bilden.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der Quenchingwiderstand aus einem einkristallinen Halbleitermaterial gebildet werden. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Bilden des Quenchingwiderstandselements ein Bilden eines einkristallinen Siliziumwiderstands umfassen. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Quenchingwiderstandselement als eine andere Art von Quenchelektronik, wie z.B. ein Quenchtransistor, ausgebildet werden.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Bilden des Quenchingwiderstandselements ein Ausbilden von mindestens einer Länge oder einer Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements umfassen, um einen gewünschten Quenchingwiderstand zu erhalten. Mit anderen Worten, der Quenchingwiderstand kann durch ein Einstellen der Länge oder der Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandelements oder von beiden eingestellt werden. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements in einem Bereich von etwa 1e16 cm-3 bis etwa 1e17 cm-3 liegen. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen können das Quenchingwiderstandselement und die zweite Halbleiterschicht die gleiche Dotierstoffkonzentration oder unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen aufweisen. Die Länge des Quenchingwiderstandselements kann in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 µm liegen, z.B. von 2 nm bis 1 µm, z.B. von 5 nm bis 500 nm, z.B. von 10 nm bis 100 nm, z.B. von 30 nm bis 50 nm. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der gewünschte Quenchingwiderstand größer oder gleich 100 kΩ sein. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann der gewünschte Quenchingwiderstand in einem Bereich von etwa 100 kΩ bis etwa 10 MΩ liegen.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann eine Breite des Quenchingwiderstandelements in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 1000 nm, z.B. von 2 nm bis 500 nm, z.B. von 5 nm bis 50 nm, liegen. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Breite des Quenchingwiderstandselements 130 in einem Bereich von etwa 6 nm bis etwa 8 nm liegen. Das Breiten/Längen-Verhältnis (W/L) des Quenchingwiderstands-Elements kann in einem Bereich von etwa 1/100 bis etwa 1/10 liegen. Die Dicke des Quenchingwiderstandselements kann in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 µm liegen, z.B. von 2 nm bis 1 µm, z.B. von 5 nm bis 500 nm, z.B. von 6 nm bis 10 nm. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Dicke des Quenchingwiderstandselements 130 in einem Bereich von etwa 6 nm bis etwa 8 nm liegen.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen ist die Größe des Quenchingwiderstandselements, z.B. die Länge oder die Fläche des Quenchingwiderstandselements, wesentlich kleiner als die Größe der Fotodiode, so dass nur ein kleiner Teil (z.B. weniger als 50%, z.B. weniger als 20%, z.B. weniger als 10%, z.B. weniger als 1 %, z.B. weniger als 0,1%) der Fotodiode von dem darauf angeordneten Quenchingwiderstandselement bedeckt wird. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann ein Durchmesser oder eine Breite der Fotodiode in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 100 µm liegen, z.B. von etwa 100 nm bis etwa 10 µm, z.B. von etwa 200 nm bis etwa 900 nm. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform kann die Fotodiode 120 einen Durchmesser von etwa 10 µm aufweisen, viel größer als das Quenchingwiderstandselement 130, das eine Länge von etwa 100 nm und eine Breite von etwa 10 nm aufweisen kann.
  • Obwohl die obige nicht beschränkende Ausführungsform beispielhafte Bereiche für die Abmessungen des Quenchingwiderstandselements und der Fotodiode beschreibt, wird davon ausgegangen, dass die Abmessungen des Quenchingwiderstandselements und der Fotodiode größer oder kleiner als die obigen beispielhaften Wertebereiche sein können, je nach den Designentscheidungen oder -anforderungen oder der Technologieentwicklung.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die Herstellung der Fotodiode auch die Herstellung einer Single-Photon-Avalanche-Diode umfassen, die zur Photonendetektion in Sperrrichtung vorgespannt ist.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen weist die Fotodiode eine Lichteinfallsfläche auf, die unter der vergrabenen Isolatorschicht angeordnet ist. Das Bilden des Quenchingwiderstandselements kann ein Ätzen der zweiten Halbleiterschicht umfassen, um das Quenchingwiderstandselement über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode zu bilden und die zweite Halbleiterschicht über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode im Wesentlichen zu entfernen, und es kann eine Ausleseschaltung für den Sensor über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode fehlen, so dass die Lichteinfallsfläche der Fotodiode so ausgebildet ist, dass sie Licht durch die vergrabene Isolatorschicht empfängt. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die zweite Halbleiterschicht so geätzt werden, dass sie nur einen ausreichend kleinen Teil der Lichteinfallsfläche der Fotodiode zusammen mit dem Quenchingwiderstandselement bedeckt, wie in 1 gezeigt ist. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die zweite Halbleiterschicht, mit Ausnahme des darin ausgebildeten Quenchingwiderstandselements, vollständig weggeätzt werden, wie in den nicht beschränkenden Ausführungsformen von 2 oben gezeigt ist. Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann die vergrabene Isolatorschicht über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode im Wesentlichen freigelegt sein, d.h. die zweite Halbleiterschicht und eine andere Elektronik (z.B. Ausleseschaltung) sind auf einem wesentlichen Abschnitt der vergrabenen Isolatorschicht über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode nicht vorhanden, wodurch die Beleuchtung der Vorderseite des Sensors ermöglicht wird, wo das Licht durch die vergrabene Isolatorschicht zur Vorderseite der Fotodiode übertragen wird.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Bilden einer Anode zur elektrischen Verbindung mit einem Bereich vom P-Typ der Fotodiode und ein Bilden einer Kathode zur elektrischen Verbindung mit einem Bereich vom N-Typ der Fotodiode umfassen. Die Anode und die Kathode können über einer Peripherie der Fotodiode angeordnet werden und sind über einen Isolationsbereich, der zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, voneinander beabstandet. Das Isolationsgebiet kann als Flachgrabenisolation ausgebildet und seitlich zwischen der Anode und der Kathode angeordnet sein.
  • Gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Bilden eines weiteren Isolationsbereichs umfassen, der zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, um das Quenchingwiderstandselement von der Anode und der Kathode zu beabstanden. Der weitere Isolationsbereich kann als Flachgrabenisolation ausgebildet und seitlich zwischen dem Quenchingwiderstandselement und der Anode, der Kathode, angeordnet sein.
  • Gemäß verschiedenen oben beschriebenen nicht beschränkenden Ausführungsformen werden die Sensoren 100, 200, 600, 850 mit einem höheren Füllfaktor und einer höheren Photonendetektionseffizienz bereitgestellt. Das Verfahren eines Bildens des Sensors 100, 200, 600, 850 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen ist CMOSkompatibel und bietet daher eine kostengünstige Herstellungslösung. Der Sensor 100, 200, 600, 850 gemäß verschiedenen nicht beschränkenden Ausführungsformen kann in der Mikroskopie, biomedizinischen Diagnostik, in Weltraumteleskopen und in der Unterhaltungselektronik eine breite Anwendung finden. Beispiele für Anwendungen des Sensors können eingebettete Quantensicherheit, Optolab-on-Chip, 3D-Vision, Nah-Infrarot-Bildgebung (NIRI), Flugzeit-Positronen-Emissions-Tomographie (TOF PET), Fluoreszenz-Lebensdauer-Imaging-Mikroskopie (FLIM), superauflösende GSDIM (Grundzustandsverarmungs-Mikroskopie mit anschließender Einzelmolekülrückführung), zeitaufgelöste Raman-Spektroskopie, Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (Sinlge-Photon Emission Computed Tomography, SPECT), Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) etc sein.
  • Die folgenden Beispiele beziehen sich auf weitere Ausführungsformen.
  • Beispiel 1 kann ein Sensor sein, umfassend: ein Substrat mit einer ersten Halbleiterschicht, einer zweiten Halbleiterschicht und einer vergrabenen Isolatorschicht, die zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist; eine Fotodiode, die in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist; und ein Quenchingwiderstandselement, das mit der Fotodiode elektrisch in Reihe geschaltet ist. Das Quenchingwiderstandselement ist in der zweiten Halbleiterschicht angeordnet und das Quenchingwiderstandselement ist über der Fotodiode angeordnet, aber von der Fotodiode durch die vergrabene Isolatorschicht getrennt.
  • In Beispiel 2 kann der Gegenstand aus Beispiel 1 optional aufweisen, dass die erste Halbleiterschicht ein Material wie z.B., aber nicht ausschließlich, Silizium, Germanium, Silizium-Germanium oder Kombinationen davon umfassen kann.
  • In Beispiel 3 kann der Gegenstand aus Beispiel 1 oder Beispiel 2 optional aufweisen, dass die zweite Halbleiterschicht ohne Beschränkung ein Material wie Silizium, Germanium, Silizium-Germanium, Germanium-Zinn, Graphen, Indium-Gallium-Arsenid, Cadmiumsulfid oder Kombinationen davon umfassen kann.
  • In Beispiel 4 kann der Gegenstand aus einem der Beispiele 1 bis 3 optional umfassen, dass die zweite Halbleiterschicht und das Quenchingwiderstandselement ein einkristallines Halbleitermaterial aufweisen kann.
  • In Beispiel 5 kann der Gegenstand aus einem der Beispiele 1 bis 4 optional aufweisen, dass die vergrabene Isolatorschicht ohne Beschränkung ein Material wie z.B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Yttriumoxid oder Kombinationen davon umfassen kann.
  • In Beispiel 6 kann der Gegenstand aus einem der Beispiele 1 bis 5 optional aufweisen, dass das Quenchingwiderstandselement einen einkristallinen Siliziumwiderstand umfassen kann.
  • In Beispiel 7 kann der Gegenstand aus einem der Beispiele 1 bis 6 optional aufweisen, dass mindestens eine Länge oder eine Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements so ausgebildet sein kann, dass ein gewünschter Quenchingwiderstand bereitgestellt wird.
  • In Beispiel 8 kann der Gegenstand aus Beispiel 7 optional aufweisen, dass die Länge des Quenchingwiderstandselements in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 µm ausgebildet sein kann; die Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements kann in einem Bereich von etwa 1e16 cm-3 bis etwa 1e17 cm-3 ausgebildet sein.
  • In Beispiel 9 kann der Gegenstand aus einem der Beispiele 1 bis 8 optional aufweisen, dass die Fotodiode eine Single-Photon-Avalanche-Diode umfassen kann.
  • In Beispiel 10 kann der Gegenstand aus einem der Beispiele 1 bis 9 optional aufweisen, dass die Fotodiode eine Lichteinfallsfläche umfasst, die unter der vergrabenen Isolatorschicht angeordnet ist, wobei das Quenchingwiderstandselement über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode angeordnet ist, und wobei die zweite Halbleiterschicht und eine Ausleseschaltung für den Sensor über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode im Wesentlichen nicht vorhanden sind, so dass die Lichteinfallsfläche der Fotodiode so ausgebildet ist, dass sie Licht durch die vergrabene Isolatorschicht aufnimmt.
  • In Beispiel 11 kann der Gegenstand aus einem der Beispiele 1 bis 10 optional aufweisen, dass der Sensor ferner eine Anode, die elektrisch mit einem Bereich vom P-Typ der Fotodiode verbunden ist, und eine Kathode, die elektrisch mit einem Bereich vom N-Typ der Fotodiode verbunden ist, umfassen kann. Die Anode und die Kathode sind über eine Peripherie der Fotodiode angeordnet und durch ein zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht angeordnetes Isolationsgebiet voneinander beabstandet.
  • In Beispiel 12 kann der Gegenstand aus Beispiel 11 optional aufweisen, dass das Quenchingwiderstandselement über ein weiteres, zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht angeordnetes Isolationsgebiet von der Anode und der Kathode beabstandet ist.
  • Beispiel 13 kann ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors sein. Das Verfahren umfasst: ein Bereitstellen eines Substrats, wobei das Substrat eine erste Halbleiterschicht, eine zweite Halbleiterschicht und eine vergrabene Isolatorschicht umfasst, die zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist; ein Bilden einer Fotodiode in der ersten Halbleiterschicht; und ein Bilden eines Quenchingwiderstandselements in der zweiten Halbleiterschicht. Das Quenchingwiderstandselement ist mit der Fotodiode elektrisch in Reihe geschaltet; und das Quenchingwiderstandselement ist über der Fotodiode angeordnet, aber von der Fotodiode durch die vergrabene Isolatorschicht getrennt.
  • In Beispiel 14 kann der Gegenstand aus Beispiel 13 optional aufweisen, dass die zweite Halbleiterschicht und das Quenchingwiderstandselement ein einkristallines Halbleitermaterial umfassen können.
  • In Beispiel 15 kann der Gegenstand aus Beispiel 13 oder Beispiel 14 optional aufweisen, dass das Bilden des Quenchingwiderstandselements ein Bilden eines einkristallinen Siliziumwiderstands umfassen kann.
  • In Beispiel 16 kann der Gegenstand in einem der Beispiele 13 bis 15 optional aufweisen, dass das Bilden des Quenchingwiderstandselements ein Ätzen der zweiten Halbleiterschicht zur Bildung des über der Fotodiode angeordneten Quenchingwiderstandselements umfassen kann.
  • In Beispiel 17 kann der Gegenstand aus einem der Beispiele 13 bis 16 optional aufweisen, dass das Bilden des Quenchingwiderstandselements ein Ausbilden von mindestens einer Länge oder einer Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements umfassen kann, um einen gewünschten Quenchingwiderstand zu erhalten.
  • In Beispiel 18 kann der Gegenstand aus einem der Beispiele 13 bis 17 optional aufweisen, dass die Fotodiode eine Lichteinfallsfläche aufweist, die unter der vergrabenen Isolatorschicht angeordnet ist. Das Bilden des Quenchingwiderstandselements kann ferner ein Ätzen der zweiten Halbleiterschicht umfassen, um den Quenchingwiderstand über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode zu bilden und die zweite Halbleiterschicht über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode im Wesentlichen zu entfernen, und eine Ausleseschaltung für den Sensor kann über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode fehlen, so dass die Lichteinfallsfläche der Fotodiode so ausgebildet ist, dass sie Licht durch die vergrabene Isolatorschicht aufnimmt.
  • In Beispiel 19 kann der Gegenstand aus einem der Beispiele 13 bis 18 optional aufweisen, dass das Verfahren ferner ein Bilden einer Anode zur elektrischen Verbindung mit einem Bereich vom P-Typ der Fotodiode und ein Bilden einer Kathode zur elektrischen Verbindung mit einem Bereich vom N-Typ der Fotodiode umfassen kann. Die Anode und die Kathode sind über einer Peripherie der Fotodiode angeordnet und über einen Isolationsbereich, der zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, voneinander beabstandet.
  • In Beispiel 20 kann der Gegenstand aus Beispiel 19 optional aufweisen, dass das Verfahren ferner ein Bilden eines weiteren Isolationsbereichs umfassen kann, der zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, um das Quenchingwiderstandselement von der Anode und der Kathode zu beabstanden.
  • Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne vom Wesen oder wesentlichen Merkmalen der Erfindung abzuweichen. Die vorstehenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als anschaulich und nicht als die hier beschriebene Erfindung beschränkend zu erachten. Der Umfang der Erfindung wird also durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die vorstehende Beschreibung angegeben und alle Änderungen, die in den Sinn und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen darin aufgenommen sein.

Claims (20)

  1. Sensor, umfassend: ein Substrat mit einer ersten Halbleiterschicht, einer zweiten Halbleiterschicht und einer vergrabenen Isolatorschicht, die zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist; eine Fotodiode, die in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist; und ein Quenchingwiderstandselement, das mit der Fotodiode elektrisch in Reihe geschaltet ist; wobei das Quenchingwiderstandselement in der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, und wobei das Quenchingwiderstandselement über der Fotodiode angeordnet ist, jedoch von der Fotodiode durch die vergrabene Isolatorschicht getrennt ist.
  2. Sensor nach Anspruch 1, wobei die erste Halbleiterschicht Silizium, Germanium, Silizium-Germanium oder Kombinationen davon umfasst.
  3. Sensor nach Anspruch 1, wobei die zweite Halbleiterschicht Silizium, Germanium, Silizium-Germanium, Germanium-Zinn, Graphen, Indium-Gallium-Arsenid, Cadmiumsulfid oder Kombinationen davon umfasst.
  4. Sensor nach Anspruch 1, wobei die zweite Halbleiterschicht und das Quenchingwiderstandselement ein einkristallines Halbleitermaterial umfassen.
  5. Sensor nach Anspruch 1, wobei die vergrabene Isolatorschicht Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Yttriumoxid oder Kombinationen davon umfasst.
  6. Sensor nach Anspruch 1, wobei das Quenchingwiderstandselement einen Siliziumeinkristallwiderstand umfasst.
  7. Sensor nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Länge oder eine Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements so ausgebildet ist, dass ein gewünschter Quenchingwiderstand bereitgestellt wird.
  8. Sensor nach Anspruch 7, bei dem die Länge des Quenchingwiderstandselements in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 µm ausgebildet ist; wobei die Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements in einem Bereich von etwa 1e16 cm-3 bis etwa 1e17 cm-3 ausgebildet ist.
  9. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Fotodiode eine Single-Photon-Avalanche-Diode umfasst.
  10. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Fotodiode eine Lichteinfallsfläche aufweist, die unter der vergrabenen Isolatorschicht angeordnet ist, wobei das Quenchingwiderstandselement über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode angeordnet ist, und wobei die zweite Halbleiterschicht und eine Ausleseschaltung für den Sensor über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode im Wesentlichen nicht vorhanden sind, so dass die Lichteinfallsfläche der Fotodiode ausgebildet ist, um Licht durch die vergrabene Isolatorschicht aufzunehmen.
  11. Sensor nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Anode, die mit einem Bereich vom P-Typ der Fotodiode elektrisch verbunden ist, und eine Kathode, die mit einem Bereich vom N-Typ der Fotodiode elektrisch verbunden ist; wobei die Anode und die Kathode über einer Peripherie der Fotodiode angeordnet sind und über einen Isolationsbereich, der zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, voneinander beabstandet sind.
  12. Sensor nach Anspruch 11, wobei das Quenchingwiderstandselement von der Anode und der Kathode über einen weiteren Isolationsbereich, der zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, beabstandet ist.
  13. Verfahren zum Bilden eines Sensors, wobei das Verfahren umfasst: ein Bereitstellen eines Substrats, wobei das Substrat eine erste Halbleiterschicht, eine zweite Halbleiterschicht und eine vergrabene Isolatorschicht, die zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, umfasst; ein Bilden einer Fotodiode in der ersten Halbleiterschicht; und ein Bilden eines Quenchingwiderstandselements in der zweiten Halbleiterschicht; wobei das Quenchingwiderstandselement mit der Fotodiode elektrisch in Reihe geschaltet ist; und wobei das Quenchingwiderstandselement über der Fotodiode angeordnet, jedoch von der Fotodiode durch die vergrabene Isolatorschicht getrennt ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die zweite Halbleiterschicht und das Quenchingwiderstandselement ein einkristallines Halbleitermaterial umfassen.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bilden des Quenchingwiderstandselements ein Bilden eines Siliziumeinkristallwiderstands umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bilden des Quenchingwiderstandselements umfasst: ein Ätzen der zweiten Halbleiterschicht, um das über der Fotodiode angeordnete Quenchingwiderstandselement zu bilden.
  17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bilden des Quenchingwiderstandselements ein Ausbilden von einer Länge und/oder einer Dotierstoffkonzentration des Quenchingwiderstandselements umfasst, um einen gewünschten Quenchingwiderstand bereitzustellen.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Fotodiode eine Lichteinfallsfläche aufweist, die unter der vergrabenen Isolatorschicht angeordnet ist; wobei das Bilden des Quenchingwiderstandselements ein Ätzen der zweiten Halbleiterschicht umfasst, um das Quenchingwiderstandselement über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode zu bilden und die zweite Halbleiterschicht über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode im Wesentlichen zu entfernen, wobei eine Ausleseschaltung für den Sensor über der Lichteinfallsfläche der Fotodiode fehlt, so dass die Lichteinfallsfläche der Fotodiode ausgebildet ist, um Licht durch die vergrabene Isolatorschicht hindurch aufzunehmen.
  19. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: ein Bilden einer Anode zur elektrischen Verbindung mit einem Bereich vom P-Typ der Fotodiode; und ein Bilden einer Kathode zur elektrischen Verbindung mit einem Bereich vom N-Typ der Fotodiode; wobei die Anode und die Kathode über einen Umfang der Fotodiode angeordnet sind und durch einen Isolationsbereich, der zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, voneinander beabstandet sind.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend ein Bilden eines weiteren Isolationsbereichs, der zumindest teilweise in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, um das Quenchingwiderstandselement von der Anode und der Kathode zu beabstanden.
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