DE102021200828A1 - Fotodiode mit orthogonalem Schichtaufbau - Google Patents

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Ignaz Eisele
Martin Heigl
Karl Neumeier
Lars Nebrich
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Abstract

Ausführungsbeispiele schaffen eine Fotodiode, mit zwei Elektroden, und einem Absorptionsvolumen zur Absorption von Photonen, wobei das Absorptionsvolumen eine Photoneneintrittsfläche aufweist, wobei die zwei Elektroden ausgebildet sind, um, bei Anliegen einer Sperrspannung, ein elektrisches Feld in einem aktiven Gebiet zwischen den zwei Elektroden zu erzeugen, wobei das elektrische Feld parallel zu der Photoneneintrittsfläche verläuft.

Description

  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Fotodiode, und im speziellen, auf eine Fotodiode mit einem in Bezug auf eine Photoneneintrittsfläche orthogonalen Schichtaufbau. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Fotodiode. Manche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine orthogonale Anordnung für Lawinenfotodioden (engl. Avalanche Photodiode, APD) und Silizium-Fotoelektronenvervielfacher (engl. Silicon Photomultiplier, SiPM) mit hoher Rot-Empfindlichkeit.
  • Für Detektionssysteme, wie z.B. LIDAR (Light Detection and Ranging, dt. eine Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung), werden hochempfindliche Fotodetektoren mit hoher spektraler Empfindlichkeit im nahen Infrarotbereich (NIR) benötigt. Im nahen Infrarotbereich nimmt der Absorptionskoeffizient von Photonen für Silizium allerdings deutlich ab, so dass für eine geeignete Anzahl von erzeugten Elektron-Loch-Paaren ein großes Volumen benötigt wird. Um einen hohen elektrischen Verstärkungsfaktor zu erzielen, werden Dioden im Durchbruchsbereich der Sperrrichtung betrieben, was zu einem lawinenartigen Effekt führt. Das Problem bei den bisherigen Detektoren liegt darin, dass bei einem vertikalen Aufbau mit zunehmendem Absorptionsvolumen die für den Lawineneffekt notwendigen elektrischen Spannungen ebenfalls zunehmen müssen, wie im Folgenden ausgeführt wird.
  • Herkömmlicherweise haben auf Silizium-Substraten erzeugte planare Lawinenfotodioden (engl. Avalanche Photodiode, APD) bzw. Silizium-Fotovervielfacher (engl. Silicon Photomultiplier, SiPM) einen vertikalen Schichtaufbau. Der Aufbau einer vertikalen Lawinenfotodiode ist beispielhaft in 1 dargestellt.
  • Im Detail zeigt 1a eine schematische Ansicht eines grundlegenden Aufbaus einer Lawinenfotodiode (APD) im Querschnitt, hier mit einem vertikalen Dotierstoffprofilverlauf n+-p-i-p+ [1]. Das unten liegende p+ Gebiet dient dem besseren elektrischen Übergang zum metallischen Rückseitenkontakt. Die n dotierten Gebiete am oberen Kontakt-Rand dienen als Schutzstrukturen (engl. Guard Structures) gegen Störeinflüsse aus dem umliegenden intrinsischen Bereich.
  • 1b zeigt in Diagrammen Dotierstoff-, Absorptions-, Elektrische-Feld- und Leiterband-Verläufe, aufgetragen über den vertikalen Schnitt durch das aktive Gebiet in der Mitte der in 1a gezeigten Lawinenfotodiode (APD) [2].
  • Die Dioden werden im Durchbruchsbereich der Sperrrichtung betrieben. Bei Absorption von Photonen im aktiven Gebiet werden Elektronen-Loch-Paare erzeugt, die im Betrieb zu einem lawinenartigen Effekt führen, der eine starke/hohe/große Verstärkung des Signals ermöglicht.
  • Bei üblichen planaren Fotodioden verlaufen elektrisches Feld und Lichtrichtung parallel. Bei geringer werdendem Absorptionsvermögen ist das gleichbedeutend mit einem Abnehmen der Empfindlichkeit im langwelligen Bereich. Dieser Empfindlichkeitsverlust kann durch eine lange Absorptionsstrecke (= große Raumladungszone (RLZ)) kompensiert werden.
  • Für die Erzeugung einer tiefen Raumladungszone sind eine hohe Betriebsspannung und niedrig dotiertes Siliziummaterial notwendig. Werden verstärkende Fotoempfänger, wie z.B. Lawinenfotodioden bzw. Silizium-Fotovervielfacher eingesetzt, die bei sehr hohen internen Feldstärken betrieben werden, sind sogenannte Schutzstrukturen (engl. Guard Structures) notwendig, die einen unerwünschten seitlichen Durchbruch verhindern.
  • Mit zunehmender Spannung (= tiefe RLZ = zunehmende Rotempfindlichkeit) werden diese Schutzstrukturen (engl. Guard Structures) immer größer.
  • Diese Schutzstrukturen belegen Bereiche der Photoneneintrittsfläche, die nicht für die Detektion von Photonen zur Verfügung steht. Beim Betrieb mit höheren Spannungen sinkt damit der Flächenwirkungsgrad der Diode (Wirkungsgrad der Diode über Gesamtfläche).
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Fotodiode mit einer hohen Empfindlichkeit im langwelligen Bereich zu schaffen, die einen besseren Flächenwirkungsgrad aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
  • Ausführungsbeispiele schaffen eine Fotodiode mit zwei Elektroden [z.B. einer Anode und einer Kathode] und einem Absorptionsvolumen zur Absorption von Photonen, wobei das Absorptionsvolumen eine Photoneneintrittsfläche aufweist, wobei die zwei Elektroden ausgebildet sind, um, beim Anlegen einer Sperrspannung, ein elektrisches Feld in einem aktiven Gebiet [z.B. dem Absorptionsvolumen] zwischen den zwei Elektroden zu erzeugen, wobei das elektrische Feld parallel zu der Photoneneintrittsfläche verläuft [z.B. wobei Feldlinien des elektrischen Feldes parallel zu der Photoneneintrittsfläche verlaufen].
  • Bei Ausführungsbeispielen können die zwei Elektroden im Wesentlichen orthogonal [z.B. in einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°] zu der Photoneneintrittsfläche verlaufen.
  • Bei Ausführungsbeispielen können sich die zwei Elektroden ausgehend von einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (101) der Fotodiode im Wesentlichen orthogonal [z.B. in einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°] zu der Oberfläche in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats (101) erstrecken [z.B. wobei die Oberfläche parallel zu der Photoneneintrittsfläche verläuft].
  • Bei Ausführungsbeispielen kann das Absorptionsvolumen zwischen den zwei Elektroden angeordnet sein.
  • Bei Ausführungsbeispielen können Schichten [z.B. Halbleiterschichten] eines Diodenschichtstapels zwischen den zwei Elektroden im Wesentlichen orthogonal [z.B. einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°] zu der Photoneneintrittsfläche verlaufen.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel folgende Schichten aufweisen:
    • - eine p+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische oder p- dotierte Schicht,
    • - eine p dotierte Schicht, und
    • - eine n+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel folgende Schichten aufweisen:
    • - eine n+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische oder n- dotierte Schicht,
    • - eine n dotierte Schicht, und
    • - eine p+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel alternativ auch folgende Schichten aufweisen:
    • - eine n+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine p dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine p+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel alternativ auch folgende Schichten aufweisen:
    • - eine p+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine n dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine n+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann die Fotodiode zumindest eine Schutzstruktur [z.B. Guard-Struktur] aufweisen, die [z.B. in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats der Fotodiode] [z.B. unmittelbar] unterhalb zumindest einer der zumindest zwei Elektroden angeordnet ist [z.B. um das elektrische Feld im Bereich des Absorptionsvolumens zu konzentrieren [z.B. und in Randbereichen zu reduzieren]].
  • Bei Ausführungsbeispielen kann die Fotodiode eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher sein.
  • Weitere Ausführungsbeispiel schaffen ein Verfahren zur Herstellung einer Fotodiode. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bereitstellens eines Halbleitersubstrats. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens von zumindest zwei Elektroden [z.B. Anode und Kathode] in oder auf dem Halbleitersubstrat. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens eines Diodenschichtstapels zwischen den zumindest zwei Elektroden, wobei Schichten des Diodenschichtstapels im Wesentlichen orthogonal [z.B. einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°] zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrats verlaufen.
  • Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Elektroden und der Diodenschichtstapel in dem Halbleitersubstrat bereitgestellt werden, durch Bilden, ausgehend von der Oberfläche des Halbleitersubstrats, von zumindest zwei voneinander beabstandeter Ausnehmungen [z.B. Gräben] in dem Halbleitersubstrat [z.B. in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats, d.h. orthogonal zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats]; Dotieren des Halbleitersubstrats zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen, um den Diodenschichtstapel [z.B. Diodenschichtaufbau] zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen zu erhalten, wobei Schichten des Diodenschichtstapels im Wesentlichen orthogonal [z.B. einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°] zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats verlaufen; und Bereitstellen der zumindest zwei Elektroden [z.B. Anode und Kathode] in den zumindest zwei Ausnehmungen.
  • Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Ausnehmungen durch Ätzen, oder durch lokales Oxidieren des Halbleitersubstrats und anschließender Entfernung des Oxids, oder durch Aufwachsen durch selektive Abscheidung gebildet werden.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat zumindest teilweise ausgehend von den zumindest zwei Ausnehmungen dotiert werden.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat mittels Belegung mit einer dotierstoffhaltigen Schicht durch chemischer Gasphasenabscheidung, oder mittels Dotieren aus der Gasphase dotiert werden.
  • Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Elektroden und der Diodenschichtstapel auf dem Halbleitersubstrat bereitgestellt werden, durch schichtweises Aufwachsen [z.B. Epitaxieren] der zumindest zwei Elektroden; und schichtweises Aufwachsen [z.B. Epitaxieren] und lokales Dotieren des Diodenschichtstapels.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel durch Ionen-Implantation in Verbindung mit Fotolithographie dotiert werden.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel folgende Schichten aufweisen:
    • - eine p+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische oder p- dotierte Schicht,
    • - eine p dotierte Schicht, und
    • - eine n+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel folgende Schichten aufweisen:
    • - eine n+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische oder n- dotierte Schicht,
    • - eine n dotierte Schicht, und
    • - eine p+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel alternativ auch folgende Schichten aufweisen:
    • - eine n+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine p dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine p+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel alternativ auch folgende Schichten aufweisen:
    • - eine p+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine n dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine n+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Elektroden durch Bereitstellen und Strukturieren einer Metallisierungsschicht und/oder hoch dotierten Schicht gebildet werden.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann das Verfahren ferner einen Schritt des Bildens zumindest einer Schutzstruktur [z.B. Guard-Struktur] [z.B. unmittelbar] unterhalb zumindest einer der zumindest zwei Elektroden aufweisen [z.B. um das elektrische Feld im Bereich des Absorptionsvolumens zu konzentrieren [z.B. und in Randbereichen zu reduzieren bzw. Strompfade/Leckströme zu unterdrücken].
  • Bei Ausführungsbeispielen kann die Fotodiode eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher sein.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine orthogonale Anordnung für Lawinenfotodioden (engl. Avalanche Photodiode, APD) und Silizium-Fotovervielfacher (engl. Silicon Photomultiplier, SiPM) mit hoher Rot-Empfindlichkeit.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
    • 1a eine schematische Ansicht eines grundlegenden Aufbaus einer Lawinenfotodiode im Querschnitt, hier mit einem vertikalen Dotierstoffprofilverlauf n+-p-i-p+ [1],
    • 1b in Diagrammen Dotierstoff-, Absorptions-, Elektrische-Feld- und Leiterband-Verläufe, aufgetragen über den vertikalen Schnitt durch das aktive Gebiet in der Mitte der in 1a gezeigten Lawinenfotodiode (APD) [2],
    • 2a eine schematische Querschnittsansicht einer Fotodiode, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
    • 2b eine schematische Querschnittsansicht einer Fotodiode, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
    • 3a eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen Lawinenfotodiode,
    • 3b eine schematische Querschnittsansicht einer Lawinenfotodiode, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
    • 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Fotodiode, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
    • 5a eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Bereitstellens des Halbleitersubstrats,
    • 5b eine schematische Ansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bildens von zumindest zwei voneinander beabstandeter Ausnehmungen in dem Halbleitersubstrat,
    • 5c eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Dotierens des Halbleitersubstrats zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen,
    • 5d eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bereitstellens von zumindest zwei Elektroden in den zumindest zwei Ausnehmungen,
    • 6a eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Bereitstellens des Halbleitersubstrats und des Aufwachsens einer ersten Schicht auf eine Oberfläche des Halbleitersubstrats,
    • 6b eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des lokalen Dotierens der ersten Schicht,
    • 6c eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Aufwachsens einer zweiten Schicht auf die erste Schicht,
    • 6d eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des lokalen Dotierens der zweiten Schicht, und
    • 6e eine schematische Querschnittsansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nachdem mehrere Schichten auf das Halbleitersubstrat aufgewachsen wurden und Kontakte auf den dotierten Bereichen bereitgestellt wurden.
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung untereinander austauschbar ist.
  • 2a zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Fotodiode 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Fotodiode 100 umfasst ein Halbleitersubstrat 101, zwei in dem Halbleitersubstrat 101 gebildete Elektroden 102 und 104 (z.B. eine Anode und eine Kathode), und zwischen den Elektroden 102 und 104 ein Absorptionsvolumen 112 zur Absorption von Photonen 108, wobei das Absorptionsvolumen 112 an einer Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 bzw. parallele zu der Oberfläche 105 eine Photoneneintrittsfläche 106 aufweist. Die Elektroden 102 und 104 sind ausgebildet, um, bei Anliegen einer Sperrspannung, ein elektrisches Feld 110 in einem aktiven Gebiet (z.B. in dem Absorptionsvolumen 112) zwischen den Elektroden 102 und 104 zu erzeugen, wobei das elektrische Feld 110 parallel zu der Photoneneintrittsfläche 106 bzw. der Oberfläche 105 der Fotodiode 100 verläuft.
  • Wie in 2a zu erkennen ist, sind die Elektroden 102 und 104 im Wesentlichen orthogonal (z.B. in einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°) zu der Photoneneintrittsfläche 106 bzw. Oberfläche 105 der Fotodiode 100 angeordnet. Die Elektroden 102 und 104 erstrecken sich also ausgehend von der Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 der Fotodiode 100 im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche 105 in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats 101.
  • 2b zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Fotodiode 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Verglichen mit 2a ist in 2b ferner ein beispielhafter Diodenschichtaufbau 128 der Fotodiode 100 gezeigt. Wie in 2b zu erkennen ist, können die Schichten 120, 122, 124, 126 des Diodenschichtaufbaus 128 im Wesentlichen orthogonal zu der Photoneneintrittsfläche 106 bzw. Oberfläche 105 der Fotodiode 100 angeordnet sein.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtaufbau 128 der Fotodiode 100 folgende Schichten aufweisen:
    • - eine p+ dotierte Schicht 120,
    • - eine intrinsische oder p- dotierte Schicht 122,
    • - eine p dotierte Schicht 124, und
    • - eine n+ dotierte Schicht 126.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtaufbau 128 der Fotodiode 100 folgende Schichten aufweisen:
    • - eine n+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische oder n- dotierte Schicht,
    • - eine n dotierte Schicht, und
    • - eine p+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtaufbau 128 der Fotodiode 100 folgende Schichten aufweisen:
    • - eine n+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine p dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine p+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtaufbau 128 der Fotodiode 100 folgende Schichten aufweisen:
    • - eine p+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine n dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine n+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann die Fotodiode eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher sein.
  • Im Folgenden werden detaillierte Ausführungsbeispiele der Fotodiode 100 näher beschrieben.
  • 3 zeigt einen Vergleich zwischen einer herkömmlichen, vertikalen Lawinenfotodiode 10 und einer orthogonalen Lawinenfotodiode 100 (Lawinenfotodiode mit orthogonalem Aufbau) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Im Detail zeigt 3a eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen Lawinenfotodiode 10. Wie in 3a zu erkennen ist, handelt es sich um eine planare Lawinenfotodiode mir einem vertikalem Aufbau, bei dem Anode 12 und Kathode 14 vertikal angeordnet, so dass bei Anliegen einer Sperrspannung ein elektrisches Feld 16 zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 erzeugt wird, das orthogonal zu einer Photoneneintrittsfläche 18 der Fotodiode 10 bzw. parallel zur Absorptionsrichtung der Photonen 20 verläuft. Demensprechend verlaufen auch die Schichten (p+, p- oder i, p, n+) des Diodenschichtaufbaus der herkömmlichen Fotodiode 10 parallel zu der Photoneneintrittsfläche 18 der Fotodiode.
  • 3b zeigt hingegen eine schematische Querschnittsansicht einer Lawinenfotodiode 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Mit anderen Worten, 3b zeigt ein Konzept einer dreidimensionalen orthogonalen Lawinenfotodiode. Ausgehend von den Ausnehmungen im Substrat kann mittels Dotierstoffen das tiefreichende aktive Gebiet erzeugt werden. Wie in 3b zu erkennen ist, weist die Fotodiode 100 einen orthogonalen Aufbau auf, bei dem die Anode 102 und die Kathode 104 orthogonal angeordnet sind, so dass bei Anliegen einer Sperrspannung ein elektrisches Feld 110 zwischen der Anode 102 und der Kathode 104 erzeugt wird, das parallel zu einer Photoneneintrittsfläche 106 der Fotodiode 100 bzw. orthogonal zur Absorptionsrichtung der Photonen 108 verläuft. Die Schichten (p+, p- oder i, p, n+) des Diodenschichtaufbaus der Fotodiode verlaufen dementsprechend auch orthogonal zu der Photoneneintrittsfläche 106.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, die Abhängigkeit zwischen Absorptionsvermögen und hoher Betriebsspannung zu vermeiden, da elektrisches Feld und Lichteinfall (optische Absorption) orthogonal zueinander verlaufen.
  • Das elektrische Feld bzw. die Betriebsspannung der Fotodiode wird durch den Abstand von Kathode und Anode vorgegeben. Die Absorption durch die Tiefe des aktiven Gebietes im Silizium. Durch die orthogonale Anordnung können Betriebsspannung und Absorptionstiefe voneinander entkoppelt werden. Die Betriebsspannung kann durch die lateralen Abmessungen angepasst werden.
  • Vertikale Fotodioden (vgl. 3a) wie auch orthogonale Fotodioden (vgl. 3b) benötigen sog. Schutzstrukturen (engl. Guard Structures) 22 bzw. 130, damit die Lawinenmultiplikation bzw. der Durchbruch im Geiger-Modus nur in den dafür vorgesehenen Bereichen stattfindet. Diese Schutzstrukturen 130 können mit bei einer orthogonalen Fotodiode 100 im Verhältnis zur Photoneneintrittsfläche klein gehalten werden.
  • Die Vermeidung von Durchbrüchen an unerwünschten Orten durch die lokale Verringerung der elektrischen Feldstärke kann durch folgende Maßnahmen erreicht werden (Schutzstrukturen):
    • • Durch laterale geometrische Maßnahmen, wie z.B. Closed-Cell-Strukturen (rotationssymmetrischer Aufbau).
    • • Durch Vergrößerung von Radien um Feldspitzen zu vermeiden.
    • • Durch Verringerung der lokalen Dotierstoffkonzentration und damit Vergrößerung der Raumladungszone.
    • • Durch Unterdrückung von Strompfaden mit Isolatorschichten.
  • Ausführungsbeispiele haben den Vorteil, dass sich mit dem orthogonalen Aufbau theoretisch ein nahezu beliebig tiefes Absorptionsvolumen erzeugen lässt, unabhängig von der Auslegung der elektrischen Betriebsspannung.
  • Ausführungsbeispiele haben den Vorteil, dass bei orthogonalen Fotodioden (im Gegensatz zu vertikalen Fotodioden) die Schutzstrukturen so aufgebaut werden können, dass diese die Photoneneintrittsfläche nicht verringert, indem die Schutzstrukturen beispielsweise am unteren Ende der Elektroden angebracht werden.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung finden Anwendung in günstigen Bauteilen mit höherer Absorption und höherem Flächenwirkungsgrad zur Verbesserung von Systemen die Lawinenfotodioden oder Silizium-Fotovervielfacher nutzen, wie z.B.:
    • • LIDAR Technologie.
    • • Hochempfindliche Photonenspektroskopie.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zur Herstellung einer Fotodiode. Das Verfahren 200 umfasst einen Schritt des Bereitstellens 202 eines Halbleitersubstrats. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt 204 des Bereitstellens von zumindest zwei Elektroden in oder auf dem Halbleitersubstrat. Ferner umfasst das Verfahren 200 einen Schritt 206 des Bereitstellens eines Diodenschichtstapels zwischen den zumindest zwei Elektroden wobei Schichten des Diodenschichtstapels im Wesentlichen orthogonal zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrats verlaufen.
  • Zwei Ausführungsbeispiele des in 4 gezeigten Verfahrens 200 zur Herstellung einer Fotodiode werden nachfolgend anhand der 5 und 6 näher erläutert, die schematische Querschnittsansichten der Fotodiode nach unterschiedlichen Schritten des Verfahrens zur Herstellung derselben zeigen.
  • 5a zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Bereitstellens des Halbleitersubstrats 101. Das Halbleitersubstrat 101 kann beispielsweise ein Siliziumhalbleitersubstrat sein.
  • 5b zeigt eine schematische Ansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bildens, ausgehend von einer Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 105, von zumindest zwei voneinander beabstandeter Ausnehmungen 103 (z.B. Gräben) in dem Halbleitersubstrat 101.
  • Wie in 5b zu erkennen ist, können sich die Ausnehmungen 103 in dem Halbleitersubstrat 101 in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats 101 erstrecken, d.h. orthogonal zu der Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101.
  • Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Ausnehmungen 103 durch Ätzen gebildet werden.
  • Alternativ können die zumindest zwei Ausnehmungen 103 durch lokales Oxidieren des Halbleitersubstrats und anschließender Entfernung des Oxids, oder durch Aufwachsen durch selektive Abscheidung gebildet werden.
  • 5c zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Dotieren des Halbleitersubstrats 101 zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen 103, um einen Diodenschichtstapel 128 zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen 103 zu erhalten.
  • Wie in 5c zu erkennen ist, können Schichten 120, 122, 124, 126 des Diodenschichtstapels 128 im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 verlaufen.
  • Es sei hierbei darauf hingewiesen, dass die Schichten 120, 122, 124, 126 in 5c nur beispielhaft eingezeichnet sind und dass der Diodenschichtstapel 128 auch mit einer anderen Anzahl an Schichten sowie einer anderen Anordnung der Schichten realisiert werden kann.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat 101 zumindest teilweise ausgehend von den zumindest zwei Ausnehmungen 103 dotiert werden.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat 101 mittels Belegung mit einer dotierstoffhaltigen Schicht durch chemischer Gasphasenabscheidung, oder mittels Dotieren aus der Gasphase dotiert werden.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel 128 folgende Schichten aufweisen:
    • - eine p+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische oder p- dotierte Schicht,
    • - eine p dotierte Schicht, und
    • - eine n+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel 128 folgende Schichten aufweisen:
    • - eine n+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische oder n- dotierte Schicht,
    • - eine n dotierte Schicht, und
    • - eine p+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel 128 folgende Schichten aufweisen:
    • - eine n+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine p dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine p+ dotierte Schicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel 128 folgende Schichten aufweisen:
    • - eine p+ dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine n dotierte Schicht,
    • - eine intrinsische Schicht,
    • - eine n+ dotierte Schicht.
  • 5d zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bereitstellens von zumindest zwei Elektroden 102 und 104 in den zumindest zwei Ausnehmungen.
  • Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Elektroden durch Bereitstellen und Strukturieren einer Metallisierungsschicht und/oder hoch dotierten Schicht gebildet werden.
  • 6a zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Bereitstellens des Halbleitersubstrats 101 und des Aufwachsens einer ersten Schicht 130_1 auf eine Oberfläche des Halbleitersubstrats 101.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat 101 ein Siliziumhalbleitersubstrat sein.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann die erste Schicht 130_1 eine intrinsische Schicht sein.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann die erste Schicht 130_1 durch Epitaxie aufgewachsen werden, so dass die erste Schicht 130_1 eine erste Epitaxie-Schicht sein kann.
  • 6b zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des lokalen Dotierens der ersten Schicht 130_1.
  • Wie in 6b zu erkennen ist, können durch das lokale Dotieren dotierte Bereiche 140, 142 und 144 in der ersten Schicht 130_1 erhalten werden, wie z.B. ein p+ dotierte Bereich 140, ein p dotierter Bereich 142 und ein n+ dotierter Bereich 144.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann das Dotieren beispielsweise durch Ionen-Implantation in Verbindung mit Fotolithographie erfolgen.
  • 6c zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Aufwachsens einer zweiten Schicht 130_2 auf die erste Schicht 130_1.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht 130_2 eine intrinsische Schicht sein.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht 130_2 durch Epitaxie aufgewachsen werden, so dass die zweite Schicht 130_2 eine zweite Epitaxie-Schicht sein kann.
  • 6d zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des lokalen Dotierens der zweiten Schicht 130_2.
  • Wie in 6d zu erkennen ist, können durch das lokale Dotieren ebenfalls dotierte Bereiche 140, 142 und 144 in der zweiten Schicht 130_1 erhalten werden, wie z.B. ein p+ dotierte Bereich 140, ein p dotierter Bereich 142 und ein n+ dotierter Bereich 144.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann das Dotieren beispielsweise durch Ionen-Implantation in Verbindung mit Fotolithographie erfolgen.
  • 6e zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nachdem mehrere Schichten 130 auf das Halbleitersubstrat 101 aufgewachsen wurden und Kontakte 146 und 148 auf den dotierten Bereichen 140 und 144 bereitgestellt wurden, wie z.B. ein Kontakt 146 für eine Anode und ein Kontakt 148 für eine Kathode.
  • Optional kann noch eine Schutzschicht 129, wie z.B. eine Oxidschicht (z.B. SiO2) auf den aufgewachsenen Schichten vorgesehenen sein.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann die Fotodiode eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher sein.
  • Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Claims (19)

  1. Fotodiode (100), mit folgenden Merkmalen: zwei Elektroden (102, 104), und einem Absorptionsvolumen (112) zur Absorption von Photonen (106), wobei das Absorptionsvolumen (112) eine Photoneneintrittsfläche (106) aufweist, wobei die zwei Elektroden (102, 104) ausgebildet sind, um, beim Anlegen einer Sperrspannung, ein elektrisches Feld (110) in einem aktiven Gebiet zwischen den zwei Elektroden (102, 104) zu erzeugen, wobei das elektrische Feld (110) parallel zu der Photoneneintrittsfläche (106) verläuft.
  2. Fotodiode (100) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die zwei Elektroden (102, 104) im Wesentlichen orthogonal zu der Photoneneintrittsfläche (106) verlaufen.
  3. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die zwei Elektroden (102, 104) ausgehend von einer Oberfläche (105) eines Halbleitersubstrats (101) der Fotodiode (100) im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche (105) in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats (101) erstrecken.
  4. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Absorptionsvolumen (112) zwischen den zwei Elektroden (102, 104) angeordnet ist.
  5. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Schichten (120, 122, 124, 126) eines Diodenschichtstapels (128) zwischen den zwei Elektroden (102, 104) im Wesentlichen orthogonal zu der Photoneneintrittsfläche (106) verlaufen.
  6. Fotodiode (100) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der Diodenschichtstapel (128) folgende Schichten aufweist: - eine p+ dotierte Schicht, - eine intrinsische oder p- dotierte Schicht, - eine p dotierte Schicht, und - eine n+ dotierte Schicht, oder wobei der Diodenschichtstapel (128) folgende Schichten aufweist: - eine n+ dotierte Schicht, - eine intrinsische oder n- dotierte Schicht, - eine n dotierte Schicht, und - eine p+ dotierte Schicht.
  7. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fotodiode (100) zumindest eine Schutzstruktur (130) aufweist, die unterhalb zumindest einer der zumindest zwei Elektroden (102, 104) angeordnet ist.
  8. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fotodiode (100) eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher ist.
  9. Verfahren (200) zur Herstellung einer Fotodiode (100), wobei das Verfahren (200) aufweist: Bereitstellen (202) eines Halbleitersubstrats (101), Bereitstellen (204) von zumindest zwei Elektroden (102, 104) in oder auf dem Halbleitersubstrat (101), Bereitstellen (206) eines Diodenschichtstapels (128) zwischen den zumindest zwei Elektroden (102, 104) wobei Schichten (120, 122, 124, 126) des Diodenschichtstapels (128) im Wesentlichen orthogonal zu einer Oberfläche (105) des Halbleitersubstrats (101) verlaufen.
  10. Verfahren (200) nach Anspruch 9, wobei die zumindest zwei Elektroden (102, 104) und der Diodenschichtstapel in dem Halbleitersubstrat (101) bereitgestellt werden, durch Bilden, ausgehend von der Oberfläche (105) des Halbleitersubstrats (101), von zumindest zwei voneinander beabstandeter Ausnehmungen (103) in dem Halbleitersubstrat (101), Dotieren des Halbleitersubstrats (101) zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen (103), um den Diodenschichtstapel (128) zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen (103) zu erhalten, wobei Schichten des Diodenschichtstapels (128) im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche (105) des Halbleitersubstrats (101) verlaufen, Bereitstellen der zumindest zwei Elektroden (102, 104) in den zumindest zwei Ausnehmungen (103).
  11. Verfahren (200) nach Anspruch 10, wobei die zumindest zwei Ausnehmungen (103) durch Ätzen, oder durch lokales Oxidieren des Halbleitersubstrats (101) und anschließender Entfernung des Oxids, oder durch Aufwachsen durch selektive Abscheidung gebildet werden.
  12. Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei das Halbleitersubstrat (101) zumindest teilweise ausgehend von den zumindest zwei Ausnehmungen (103) dotiert wird.
  13. Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Halbleitersubstrat (101) mittels Belegung mit einer dotierstoffhaltigen Schicht durch chemischer Gasphasenabscheidung, oder mittels Dotieren aus der Gasphase dotiert wird.
  14. Verfahren (200) nach Anspruch 9, wobei die zumindest zwei Elektroden (102, 104) und der Diodenschichtstapel (128) auf dem Halbleitersubstrat (101) bereitgestellt werden, durch schichtweises Aufwachsen der zumindest zwei Elektroden (102, 104), und schichtweises Aufwachsen und lokales Dotieren des Diodenschichtstapels (128).
  15. Verfahren (200) nach Anspruch 14, wobei der Diodenschichtstapel (128) durch Ionen-Implantation in Verbindung mit Fotolithographie dotiert wird.
  16. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Diodenschichtstapel (128) folgende Schichten aufweist: - eine p+ dotierte Schicht, - eine intrinsische oder p- dotierte Schicht, - eine p dotierte Schicht, und - eine n+ dotierte Schicht, oder wobei der Diodenschichtstapel (128) folgende Schichten aufweist: - eine n+ dotierte Schicht, - eine intrinsische oder n- dotierte Schicht, - eine n dotierte Schicht, und - eine p+ dotierte Schicht.
  17. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Elektroden (102, 104) durch Bereitstellen und Strukturieren einer Metallisierungsschicht und/oder hoch dotierten Schicht gebildet werden.
  18. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (200) ferner aufweist: Bilden zumindest einer Schutzstruktur (130) unterhalb zumindest einer der zumindest zwei Elektroden (102, 104).
  19. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fotodiode (100) eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher ist.
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