DE102021114314A1 - Photonendetektion - Google Patents

Abstract

Photonendetektionselement (1), umfassend- eine Diodenstruktur (2) aus amorphem Silizium, welche nach Art einer PIN-Diode Schichten (7,8,9) aufweist, die senkrecht zu einer Stapelrichtung (r) ausgebildet sind,- eine Auslesestruktur (3), welche ein Substrat (4) mit einer Vielzahl von Transistoren (5) und einen Kontaktierungsbereich (6) umfasst, wobei der Kontaktierungsbereich (6) in der Stapelrichtung (r) zwischen dem Substrat (4) und der Diodenstruktur (2) angeordnet ist, wobei die Transistoren (5) derart über den Kontaktierungsbereich (6) miteinander und mit der Diodenstruktur (2) verbunden sind, dass die Auslesestruktur (3) zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von auf die Diodenstruktur (2) einfallenden Photonen eingerichtet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Photonendetektionselement, welches insbesondere nach Art einer Einzelphotonen-Avalanche-Diode (engl. Single Photon Avalanche Diode, kurz SPAD) ausgebildet und zur Detektion von schwachem Licht eingerichtet sein kann. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Photonendetektionselements, einen Bildsensor mit einer Vielzahl solcher Photonendetektionselemente sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bildsensors.
• Es ist bekannt, Licht besonders geringer Intensität mit sogenannten Einzelphotonen-Avalanche-Dioden zu detektieren. Entsprechende Detektoren werden beispielsweise eingesetzt im Bereich der Wissenschaft, des Quantencomputings, der Raumfahrt, der 3D-Bildgebung oder der biomedizinischen Bildgebung, beispielsweise bei der Fluoroskopie oder Endoskopie. Bekannte SPADs beruhen auf Silizium-CMOS-Technologie. Diese haben eine geringe optische Effizienz. Zudem werden diese SPADs üblicherweise bei Spannungen um 15 V betrieben. Das liegt deutlich über den im Übrigen auf dem gleichen Chip verwendeten Spannungen und führt zu einem hohen Energieverbrauch. Zudem wird eine aufwendige Auswerteelektronik benötigt. Auch sind bekannte SPADs aufgrund der hohen erforderlichen Spannung unzuverlässig, weil auch schwaches Rauschen bereits zu einem lokalem Diodendurchbruch führen kann.
• Es sind SPADs bekannt, die eine Diode und eine daneben angeordnete Auswertungsschaltung aufweisen. Derartige SPADs haben aber eine geringe Effizienz, weil die optisch sensitive Fläche durch die Auswertungsschaltung reduziert ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik eine Möglichkeit zur Detektion von Licht geringer Intensität vorzustellen, bei der eine hohe energetische Effizienz, eine hohe optische Effizienz und eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden.
• Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Photonendetektionselement, einem Verfahren zum Betrieb eines Photonendetektionselements, einem Bildsensor und einem Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
• Erfindungsgemäß wird ein Photonendetektionselement vorgestellt, welches umfasst:
• - eine Diodenstruktur aus amorphem Silizium, welche nach Art einer PIN-Diode Schichten aufweist, die senkrecht zu einer Stapelrichtung ausgebildet sind,
• - eine Auslesestruktur, welche ein Substrat mit einer Vielzahl von Transistoren und einen Kontaktierungsbereich umfasst, wobei der Kontaktierungsbereich in der Stapelrichtung zwischen dem Substrat und der Diodenstruktur angeordnet ist, wobei die Transistoren derart über den Kontaktierungsbereich miteinander und mit der Diodenstruktur verbunden sind, dass die Auslesestruktur zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von auf die Diodenstruktur einfallenden Photonen eingerichtet ist.
• Das Photonendetektionselement ist ein elektronisches Bauteil, insbesondere ein Halbleiterbauteil. Das Photonendetektionselement ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Licht geringer Intensität zu detektieren, insbesondere einzelne Photonen. Das Photonendetektionselement ist vorzugsweise nach Art einer Einzelphotonen-Avalanche-Diode (engl. Single Photon Avalanche Diode, kurz SPAD) ausgebildet. In dem Fall kann das Photonendetektionselement auch als ein Einzelphotonen-Avalanche-Dioden-Element bezeichnet werden. Eine SPAD wird in Sperrrichtung vorgespannt in der sogenannten Lawinenregion betrieben, in welcher die elektrische Feldstärke hoch ist.
• Das Photonendetektionselement kann allein verwendet werden oder einen Pixel eines Bildsensors darstellen. Im letzteren Fall kann das Photonendetektionselement dazu beitragen, das einfallende Licht ortsaufgelöst zu detektieren und als Bild darzustellen.
• Das Photonendetektionselement weist eine Diodenstruktur und eine Auslesestruktur auf. Die Diodenstruktur ist dazu eingerichtet, Photonen zu erfassen. Die Auslesestruktur ist derart eingerichtet und an die Diodenstruktur angebunden, dass die Auslesestruktur ein elektrisches Signal erzeugen kann, welches Informationen zu mit der Diodenstruktur erfassten Photonen enthält. Fällt also ein Photon auf die Diodenstruktur, erzeugt dies einen elektrischen Strom, welcher mit der Auslesestruktur aufgenommen und in ein Signal umgewandelt wird. Das Signal kann weiterverarbeitet werden, beispielsweise indem die jeweiligen Signale einer Vielzahl von Pixeln zu einem Bild zusammengesetzt werden.
• Das Photonendetektionselement ist vorzugsweise als ein Schichtaufbau ausgebildet. Dieser kann anhand einer Stapelrichtung beschrieben werden, welche jeweils senkrecht zu den einzelnen Schichten steht. Beginnend mit dem Substrat folgt in der Stapelrichtung zuerst der Kontaktierungsbereich. Der Kontaktierungsbereich liegt vorzugsweise an dem Substrat an. Auf den Kontaktierungsbereich folgt in Stapelrichtung die Diodenstruktur. Die Diodenstruktur liegt vorzugsweise an dem Kontaktierungsbereich an. So ist der Kontaktierungsbereich bei Betrachtung entlang der Stapelrichtung zwischen dem Substrat und der Diodenstruktur angeordnet. Vorzugsweise steht der Kontaktierungsbereich mit der Diodenstruktur und/oder mit dem Substrat in Kontakt. Die Diodenstruktur weist Schichten auf, die senkrecht zur Stapelrichtung ausgebildet sind. Die Diodenstruktur weist vorzugsweise eine optisch sensitive Fläche auf, welche vorzugsweise senkrecht zur Stapelrichtung ausgebildet ist. Vorzugsweise begrenzt die optisch sensitive Fläche die Diodenstruktur an ihrer von der Auslesestruktur abgewandten Seite.
• Durch die Anordnung des Kontaktierungsbereichs zwischen der Diodenstruktur und dem Substrat kann der Kontaktierungsbereich die übrige Auslesestruktur vor einfallendem Licht abschirmen. Dadurch kann die Messgenauigkeit erhöht werden.
• Mit dem Photonendetektionselement können Photonen detektiert werden, die auf die Diodenstruktur auftreffen. Die Diodenstruktur ist insoweit an einer Seite des Photonendetektionselements angeordnet, welche als eine Oberseite bezeichnet werden kann. Dies bezieht sich auf die Stapelrichtung, welche als von unten nach oben gerichtet angesehen werden kann. Das Substrat ist entsprechend auf einer Unterseite des Photonendetektionselements angeordnet. Die Diodenstruktur kann als oben auf der Auslesestruktur angeordnet bezeichnet werden. Durch diese Anordnung erstreckt sich die optische sensitive Fläche über den gesamten Querschnitt des Photonendetektionselements bei Betrachtung quer zur Stapelrichtung. Die optisch sensitive Fläche wird also nicht durch die Auslesestruktur reduziert. Bei einem Bildsensor mit Pixeln, welche durch wie beschrieben ausgebildete Photonendetektionselemente gebildet sind, kann dies auch damit beschrieben werden, dass ein hoher Füllfaktor erzielt wird. So kann nahezu 100 % des einfallenden Lichts erfasst werden. Durch die beschriebene Anordnung der Diodenstruktur und dadurch, dass die Diodenstruktur aus wohlbekannten Materialen gebildet ist, wird eine besonders hohe Zuverlässigkeit erreicht. Insbesondere kann ein vorzeitiger Durchbruch verhindert werden. Das ist dadurch möglich, dass ein quasi-einheitliches elektrisches Feld über die Diodenstruktur angelegt werden kann.
• Die Diodenstruktur ist aus amorphem Silizium nach Art einer PIN-Diode ausgebildet. Die Diodenstruktur weist eine Schicht aus p-dotiertem Silizium („p-Schicht“), eine Schicht aus undotiertem, also intrinsischem Silizium („i-Schicht“) und eine Schicht aus n-dotiertem Silizium („n-Schicht“) auf. Die i-Schicht ist zwischen der n-Schicht und der p-Schicht angeordnet und steht mit der n-Schicht und der p-Schicht in Kontakt. Es ist unerheblich, ob die p-Schicht oder die n-Schicht auf der der Auslesestruktur zugewandten Seite der Diodenstruktur angeordnet ist. Je nach Betrachtungsrichtung kann die PIN-Diode auch als eine NIP-Diode bezeichnet werden.
• Besonders die Verwendung von amorphem Silizium trägt dazu bei, die beim Stand der Technik bestehenden Probleme zu überwinden. Das betrifft insbesondere bekannte PN-Dioden aus kristallinem Silizium, welche bei hohen Spannungen betrieben weren müssen. Insbesondere kann die Diodenstruktur des beschriebenen Photonendetektionselements bei einer geringeren Spannung betrieben werden als bekannte PN-Dioden in kristallinem Silizium.
• Die Auslesestruktur weist ein Substrat mit einer Vielzahl von Transistoren und einen Kontaktierungsbereich auf. Das Substrat ist vorzugsweise aus Silizium gebildet. Über den Kontaktierungsbereich sind die Transistoren derart miteinander und mit der Diodenstruktur verbunden, dass die Auslesestruktur zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von auf die Diodenstruktur einfallenden Photonen eingerichtet ist. Die Transistoren sind vorzugsweise durch entsprechend dotierte Bereiche in dem Substrat gebildet. Beispielsweise kann das Substrat p-dotiert sein, wobei die Transistoren mit n-dotierten Bereichen im Substrat gebildet sind. Die Transistoren sind vorzugsweise an einer dem Kontaktierungsbereich zugewandten Seite des Substrats gebildet. Der Kontaktierungsbereich weist metallische Leiterbahnen auf, die in mehreren Lagen angeordnet sein können. Die Anzahl der Lagen richtet sich danach, welche elektrische Schaltung zum Auslesen verwendet wird und insbesondere danach, wie viele Pixel gemeinsam eingesetzt werden. Die metallischen Leiterbahnen sind vorzugsweise von einem dielektrischen Material umgeben und lediglich an Kontaktstellen an die Diodenstruktur und/oder an die Transistoren angebunden.
• Da die Diodenstruktur senkrecht zu der Stapelrichtung an keine andere Struktur angrenzt - insbesondere nicht an die Auslesestruktur - sind keine Abschirmringe erforderlich, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Photonendetektionselement als ein integrierter Chip ausgebildet.
• Ein integrierter Chip kann durch lithografisches Wachstum erhalten werden. Dies steht im Gegensatz zu Lösungen aus dem Stand der Technik, bei denen ein Photonendetektionselement durch Wafer-Bonding aus zwei Chips erhalten wird. Derartige Photonendetektionselemente stellen keinen integrierten Chip dar, sondern Zwei-Chip-Strukturen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Photonendetektionselements ist die Diodenstruktur derart ausgebildet, dass diese eine Durchbruchspannung im Bereich von 2 bis 8 V hat.
• Im Vergleich zu bekannten Lösungen kommt das beschriebene Photonendetektionselement in dieser Ausführungsform mit einer um einen Faktor von etwa 3 geringeren Spannung und mit einer um einen Faktor von etwa 9 geringeren Leistung aus.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Photonendetektionselements sind die Schichten der Diodenstruktur eine p-Schicht, eine i-Schicht und eine n-Schicht, wobei die i-Schicht eine Schichtdicke im Bereich von 25 bis 75 nm hat, insbesondere im Bereich von 40 und 60 nm.
• Die i-Schicht ist in dieser Ausführungsform vergleichsweise dünn. Es hat sich herausgestellt, dass damit zugleich eine geringe Durchbruchspannung und eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden können.
• Alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform sind die folgenden Merkmale bevorzugt, die jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination vorliegen können:
• - Die p-Schicht hat eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 40 nm.
• - Die p-Schicht hat eine Dotierung im Bereich von 10¹⁸ cm^-3 bis 10²⁰ cm^-3.
• - Die i-Schicht hat eine Dotierung im Bereich von 10¹⁴ cm^-3 bis 10¹⁶ cm^-3.
• - Die n-Schicht hat eine Schichtdicke im Bereich von 20 bis 60 nm.
• - Die n-Schicht hat eine Dotierung im Bereich von 10¹⁸ cm^-3 bis 10²⁰ cm^-3.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Photonendetektionselements weist der Kontaktierungsbereich an seiner der Diodenstruktur zugewandten Seite eine Verbindungsschicht auf, welche an die Diodenstruktur angebunden ist.
• Die Verbindungsschicht ist vorzugsweise aus einem Metall gebildet. Über die Verbindungsschicht wird ein flächiger Kontakt zur Diodenstruktur ausgebildet, insbesondere zu der Schicht der Diodenstruktur, welche an der dem Kontaktierungsbereich zugewandten Seite der Diodenstruktur angeordnet ist. Das kann die p-Schicht oder die n-Schicht sein. Die Verbindungsschicht bildet also eine Deckschicht des Kontaktierungsbereichs. Die Diodenstruktur und die Verbindungsschicht sind über eine flächig ausgebildete Kontaktstelle miteinander verbunden.
• Es genügt, dass der Kontaktierungsbereich eine Verbindungsschicht aufweist. Denkbar ist es aber auch, dass der Kontaktierungsbereich mehrere Verbindungsschichten aufweist, die gemeinsam die Funktion erfüllen, die Diodenstruktur zu kontaktieren.
• Es genügt, dass sich die Verbindungsschicht über einen Teil des Querschnitts des Photonendetektionselements. Das bezieht sich auf eine Betrachtung senkrecht zu der Stapelrichtung.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Photonendetektionselements erstreckt sich die Verbindungsschicht quer zu der Stapelrichtung vollflächig über das Photonendetektionselement.
• Insbesondere in dieser Ausführungsform kann die Verbindungsschicht bei der Herstellung des Photonendetektionselements als eine lithografische Maske verwendet werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Photonendetektionselements ist das Substrat aus einem kristallinem Halbleitermaterial gebildet.
• Besonders bevorzugt ist das Substrat aus kristallinem Silizium gebildet. Dieses Material ist vergleichsweise leicht verfügbar und leicht zu bearbeiten.
• Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines wie beschrieben ausgebildeten Photonendetektionselements vorgestellt, wobei eine elektrische Spannung an die Diodenstruktur angelegt ist, welche um 0,1 V bis 1 V oberhalb der Durchbruchspannung der Diodenstruktur liegt.
• Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Photonendetektionselements sind auf das Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
• Die Diodenstruktur wird in der sogenannten Lawinen-Region (engl. avalanche region) betrieben. Fällt ein Photon auf die Diodenstruktur, kommt es zu einem Lawinen-Durchbruch und ein großer Strom entsteht. So kann Licht besonders schwacher Intensität gemessen werden.
• Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Bildsensor vorgestellt, welcher eine Vielzahl von Pixeln aufweist, die jeweils ein wie beschrieben ausgebildetes Photonendetektionselement umfassen, wobei die Photonendetektionselemente derart quer zu der Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind, dass die Diodenstrukturen zusammen eine senkrecht zu der Stapelrichtung ausgebildete Sensorfläche für einfallende Photonen bilden.
• Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Photonendetektionselements und des Verfahrens zu dessen Betrieb sind auf den Bildsensor anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Vorzugsweise werden die Photonendetektionselemente des Bildsensors nach dem zuvor beschriebenen Verfahren betrieben. Der Bildsensor weist vorzugsweise mindestens eine Million Pixel auf. In dem Fall kann der Bildsensor als ein Megapixel-Bildsensor bezeichnet werden.
• Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines wie beschrieben ausgebildeten Bildsensors vorgestellt, welches umfasst:
1. a) Bereitstellen einer jeweiligen Auslesestruktur für jeden der Pixel,
2. b) Wachsen der jeweiligen Diodenstruktur auf die entsprechende Auslesestruktur.
• Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Photonendetektionselements und des Verfahrens zu dessen Betrieb sowie des Bildsensors sind auf das Verfahren zur Herstellung des Bildsensors anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
• Die Auslesestrukturen können gemeinsam bereitgestellt werden, indem ein Substrat derart mit dotierten Bereichen versehen wird, dass mit diesen die Transistoren gebildet werden können. Auf einem Substrat werden die Transistoren aller Pixel angeordnet. Auf das so bereitgestellte Substrat können dann die Kontaktierungsbereiche der einzelnen Pixel aufgebracht werden, insbesondere lithografisch. Auch dies kann für alle Pixel zugleich erfolgen. Alternativ kann ein Substrat mit den Auslesestrukturen außerhalb des Verfahrens hergestellt und in Schritt a) lediglich zur Verfügung gestellt werden.
• In Schritt b) werden die Diodenstrukturen auf die jeweils entsprechende Auslesestruktur gewachsen. Dazu wird vorzugsweise zuerst die p-Schicht auf den Kontaktierungsbereich der Auslesestruktur gewachsen, anschließend die i-Schicht auf die p-Schicht gewachsen und schließlich die n-Schicht auf die i-Schicht gewachsen. Alternativ kann zuerst die n-Schicht auf den Kontaktierungsbereich der Auslesestruktur gewachsen werden, anschließend die i-Schicht auf die n-Schicht und schließlich die p-Schicht auf die i-Schicht.
• Die Diodenstrukturen der Pixel können in einem gemeinsamen Schritt gewachsen werden, indem die Schichten der Diodenstrukturen nacheinander über den gesamten Bildsensor gewachsen werden, wobei eine Lithografie-Maske verwendet wird, um die Diodenstrukturen der einzelnen Pixel voneinander zu trennen. Alternativ können die Verbindungsschichten der Kontaktierungsbereiche der Auslesestrukturen als Lithografie-Maske verwendet werden.
• Dazu ist die Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei der die Auslesestrukturen in Schritt a) mit einer Verbindungsschicht bereitgestellt werden, welche sich über den gesamten Bildsensor erstreckt. Vor Schritt b) wird die Verbindungsschicht derart unterteilt, dass die Verbindungsschichten benachbarter Pixel durch eine jeweilige Lücke voneinander beabstandet sind. In Schritt b) werden die Schichten der Diodenstrukturen derart gewachsen, dass die Diodenstrukturen benachbarter Pixel durch die Lücken zwischen den Verbindungsschichten elektrisch voneinander getrennt sind.
• In dieser Ausgestaltung wird zunächst eine sich über den gesamten Bildsensor erstreckende Verbindungsschicht gewachsen. Diese kann anschließend, beispielsweise durch lokales Ätzen, in die Verbindungsschichten der einzelnen Pixel unterteilt werden. Dabei entstehen Lücken zwischen den Verbindungsschichten benachbarter Pixel. Werden anschließend die Schichten der Diodenstruktur über den gesamten Bildsensor gewachsen, gelangt das dabei abgeschiedene Material auch in die Lücken zwischen den benachbarten Pixeln. Insoweit werden voneinander getrennte Diodenstrukturen für die einzelnen Pixel erhalten. Vorzugsweise ist die Verbindungsschicht mindestens doppelt so dick wie die an dem Kontaktierungsbereich anliegende Schicht der Diodenstruktur. Dies kann die n-Schicht oder die p-Schicht sein. Beispielsweise kann die Verbindungsschicht eine Schichtdicke im Bereich von 80 bis 120 nm haben, während die an dem Kontaktierungsbereich anliegende Schicht der Diodenstruktur eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 50 nm hat. Die Schichtdicken sind entlang der Stapelrichtung definiert. Durch die unterschiedlichen Schichtdicken taucht das Material der Diodenstruktur so weit in die Lücken zwischen den Pixeln ein, dass die Diodenstrukturen der benachbarten Pixel elektrisch voneinander getrennt werden. Das erfordert keine vollständige Trennung zwischen den Diodenstrukturen benachbarter Pixel. Es genügt eine elektrische Trennung. Diese liegt vor, sobald die Pixel unabhängig voneinander betrieben werden können.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Auslesestrukturen in Schritt a) mit einer Verbindungsschicht bereitgestellt, welche sich über den gesamten Bildsensor erstreckt. Vor Schritt b) wird die Verbindungsschicht derart unterteilt, dass die Verbindungsschichten benachbarter Pixel durch eine jeweilige Lücke voneinander beabstandet sind. Anschließend wird vor Schritt b) ein dielektrisches Material derart zwischen die benachbarten Pixel eingebracht, dass das dielektrische Material über die Oberfläche der Auslesestruktur hinaussteht. In Schritt b) werden die Schichten der Diodenstrukturen derart gewachsen, dass die Diodenstrukturen benachbarter Pixel durch das dielektrische Material elektrisch voneinander getrennt sind.
• Im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform taucht das Material der Diodenstrukturen hier nicht in die Lücken ein, sondern wird durch das dielektrische Material in die entgegengesetzte Richtung verformt, also von der Oberfläche der Auslesestruktur weg. Auch so kommt es zu einer elektrischen Trennung der Diodenstrukturen benachbarter Pixel. Auch hier liegt eine elektrische Trennung vor, sobald die Pixel unabhängig voneinander betrieben werden können. Vorzugsweise steht das dielektrische Material um 80 bis 120 nm über die Oberfläche der Auslesestrukturen hervor, während die an dem Kontaktierungsbereich anliegende Schicht der Diodenstruktur eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 50 nm hat.
• In den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen steht Schritt b) insbesondere im Gegensatz zu einem Verfahren, bei dem die Diodenstruktur als ein gesondertes Element gefertigt wird und auf die Auslesestruktur aufgebracht wird, beispielsweise durch Wafer-Bonding. Derartige Verfahren führen zu Zwei-Chip-Strukturen, welche sich von einem als integrierten Chip ausgebildeten Photonendetektionselement unterscheiden. Auch wenn die Ausführung des Photonendetektionselements als integrierter Chip bevorzugt ist, kann das beschriebene Photonendetektionselement auch mittels Wafer-Bondings aus zwei gesonderten Chips erhalten werden. Dies bietet im Vergleich zu bekannten Lösungen immer noch die Vorteile, die sich aus der Verwendung von amorphem Silizium für die Diodenstruktur ergeben.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf welche die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigen:
• 1: ein erfindungsgemäßes Photonendetektionselement,
• 2: Kennlinie der Diodenstruktur des Photonendetektionselements aus 1,
• 3: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors,
• 4: eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors.
• 1 zeigt ein Photonendetektionselement 1, welches eine Diodenstruktur 2 aus amorphem Silizium und eine Auslesestruktur 3 umfasst. Die Diodenstruktur 2 ist nach Art einer PIN-Diode ausgebildet und weist eine p-Schicht 7, eine i-Schicht 8 und eine n-Schicht 9 auf, die jeweils senkrecht zu einer Stapelrichtung r ausgebildet sind. Die Auslesestruktur 3 weist ein Substrat 4 mit einer Vielzahl von Transistoren 5 und einen Kontaktierungsbereich 6 auf. In der Stapelrichtung r ist der Kontaktierungsbereich 6 zwischen dem Substrat 4 und der Diodenstruktur 2 angeordnet. Die Transistoren 5 sind derart über den Kontaktierungsbereich 6 miteinander und mit der Diodenstruktur 2 verbunden, dass die Auslesestruktur 3 zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von auf die Diodenstruktur 2 einfallenden Photonen eingerichtet ist. Der Kontaktierungsbereich 6 umfasst eine Verbindungsschicht 10, über welche die Diodenstruktur 2 angebunden ist. Zudem umfasst der Kontaktierungsbereich 6 metallische Leiterbahnen 15, welche durch ein dielektrisches Material 13 voneinander getrennt sind.
• 2 zeigt eine Diodenkennlinie der Diodenstruktur 2 aus 1. Eingezeichnet ist der Strom I gegen die Spannung V. Die Diodenstruktur 2 wird vorzugsweise oberhalb der Durchbruchspannung V_br betrieben.
• 3 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors 11. Beispielhaft sind zwei Pixel 12 des Bildsensors 11 gezeigt. Die Pixel 12 umfassen jeweils ein wie in 1 ausgebildetes Photonendetektionselement 1. Die Trennung der Diodenstrukturen 2 der beiden benachbarten Pixel 12 ist dadurch erfolgt, dass bei der Herstellung eine gemeinsame Verbindungsschicht beispielsweise durch lokales Ätzen in die Verbindungsschichten 10 der beiden Pixel 12 unterteilt wurde. Das Material der Diodenstrukturen 2 kann so in eine Lücke 15 zwischen den Verbindungsschichten 10 eintauchen, wodurch die Diodenstrukturen 2 elektrisch voneinander getrennt sind.
• 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors 11. Im Unterschied zu 3 taucht das Material der Diodenstrukturen 2 hier nicht in die Lücken 15 zwischen den Verbindungsschichten 10 ein. Stattdessen steht dielektrisches Material 13 über die Oberfläche der Auslesestruktur 3 hervor, wodurch das Materialder Diodenstrukturen 2 nach oben gewölbt ist. Insoweit sind die Diodenstrukturen 2 der beiden Pixel 12 elektrisch voneinander getrennt.
• Bezugszeichenliste

1

Photonendetektionselement

2

Diodenstruktur

3

Auslesestruktur

4

Substrat

5

Transistor

6

Kontaktierungsbereich

7

p-Schicht

8

i-Schicht

9

n-Schicht

10

Verbindungsschicht

11

Bildsensor

12

Pixel

13

dielektrisches Material

14

Leiterbahn

15

Lücke

r

Stapelrichtung

Claims (10)

1. Photonendetektionselement (1), umfassend - eine Diodenstruktur (2) aus amorphem Silizium, welche nach Art einer PIN-Diode Schichten (7,8,9) aufweist, die senkrecht zu einer Stapelrichtung (r) ausgebildet sind, - eine Auslesestruktur (3), welche ein Substrat (4) mit einer Vielzahl von Transistoren (5) und einen Kontaktierungsbereich (6) umfasst, wobei der Kontaktierungsbereich (6) in der Stapelrichtung (r) zwischen dem Substrat (4) und der Diodenstruktur (2) angeordnet ist, wobei die Transistoren (5) derart über den Kontaktierungsbereich (6) miteinander und mit der Diodenstruktur (2) verbunden sind, dass die Auslesestruktur (3) zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von auf die Diodenstruktur (2) einfallenden Photonen eingerichtet ist.
2. Photonendetektionselement (1) nach Anspruch 1, wobei das Photonendetektionselement (1) als ein integrierter Chip ausgebildet ist.
3. Photonendetektionselement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Diodenstruktur (2) derart ausgebildet ist, dass diese eine Durchbruchspannung im Bereich von 2 bis 8 V hat.
4. Photonendetektionselement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schichten (7,8,9) der Diodenstruktur (2) eine p-Schicht (7), eine i-Schicht (8) und eine n-Schicht (9) sind, und wobei die i-Schicht (8) eine Schichtdicke im Bereich von 25 bis 75 nm hat.
5. Photonendetektionselement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kontaktierungsbereich (6) an seiner der Diodenstruktur (2) zugewandten Seite eine senkrecht zu der Stapelrichtung (r) ausgebildete Verbindungsschicht (10) aufweist, welche an die Diodenstruktur (2) angebunden ist.
6. Photonendetektionselement (1) nach Anspruch 5, wobei sich die Verbindungsschicht (10) quer zu der Stapelrichtung (r) vollflächig über das Photonendetektionselement (1) erstreckt.
7. Photonendetektionselement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (4) aus einem kristallinem Halbleitermaterial gebildet ist.
8. Verfahren zum Betrieb eines Photonendetektionselements (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine elektrische Spannung an die Diodenstruktur (2) angelegt ist, welche um 0,1 V bis 1 V oberhalb der Durchbruchspannung der Diodenstruktur (2) liegt.
9. Bildsensor (11) umfassend eine Vielzahl von Pixeln (12), die jeweils ein Photonendetektionselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassen, wobei die Photonendetektionselemente (1) derart quer zu der Stapelrichtung (r) nebeneinander angeordnet sind, dass die Diodenstrukturen (2) zusammen eine senkrecht zu der Stapelrichtung (r) ausgebildete Sensorfläche (13) für einfallende Photonen bilden.
10. Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors (1) nach Anspruch 9, umfassend: a) Bereitstellen einer jeweiligen Auslesestruktur (3) für jeden der Pixel (12), b) Wachsen der jeweiligen Diodenstruktur (2) auf die entsprechende Auslesestruktur (3).

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