DE112014001833T5 - Halbleiterphotosensor für Infrarotstrahlung - Google Patents

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Abstract

Ein Photosensor für die Erfassung von Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 1 bis 1000 Mikrometern besteht aus einem Halbleitersubstrat mit einem hochdotierten Wechselwirkungsvolumen für die einfallende Strahlung. An der Kante dieses hochdotierten Bereichs wird eine ausgedehnte Gate-Elektrode platziert, die aus einem leitenden Material auf einer Isolationsschicht besteht. Auf der anderen Seite der Gate-Elektrode ist ein anderer hochdotierter Halbleiterbereich platziert, der als Ladungskollektor agiert. Durch freie Trägerabsorption in dem Wechselwirkungsvolumen vermitteln einfallende Photonen ihre Energie an bewegliche Ladungsträger. In dem Fall von freien Elektronen wird die Gate-Elektrode leicht unterhalb der Rücksetzspannung des Wechselwirkungsvolumens vorgespannt, sodass die Elektronen, die die zusätzliche Energie der absorbierten Photonen tragen, vorwiegend den Übergang von dem Wechselwirkungsvolumen über den Gate-Elektrodenbereich zu dem Ladungskollektorvolumen durchführen können, dessen Potential ausreichend hoch eingestellt wurde, sodass die gesammelten freien Elektronen in diesem Halbleiterbereich verbleiben. Die gesammelten freien Ladungsträger werden elektronisch mit bekannten Schaltungen zum Messen von elektrischem Strom oder Ladungspaketen erfasst. Eine Vielzahl solcher Infrarotphotosensorbauelemente können in ein- oder zweidimensionalen Anordnungen angeordnet werden, um Linien- oder Bildsensoren zu bilden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Erfassung von Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 1 bis 1000 Mikrometern, wobei ein bekannter Halbleiterherstellungsprozess verwendet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Infrarotphotosensor, der mit einem Siliziumprozess hergestellt werden kann, wie zum Beispiel diejenigen, die weitverbreitet für siliziumbasierte CMOS-(ergänzender Metalloxid-Halbleiter, englisch: Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Vorrichtungen verwendet werden.
  • Stand der Technik
  • Die Erfassung von elektromagnetischer Strahlung ist eine der wichtigsten Erfassungsaufgaben in Wissenschaft, Technologie und Konsumelektronik. Silizium ist der fundamentale Halbleiter von Mikroelektronik und ist sehr gut geeignet für die Herstellung hochsensitiver Photosensoren – von Punktdetektoren bis hin zu Multi-Megapixel-Bildsensoren –, die einen breiten Spektralbereich von dem weichen Röntgenbereich bis zum Nahinfrarot abdecken. Dies entspricht einem sensitiven Wellenlängenbereich von ungefähr 1 nm bis zu der Cutoff-Wellenlänge von Silizium von ungefähr 1100 nm. Aufgrund der wachsenden Wichtigkeit von Infrarotstrahlung für Diagnose und chemische Fingerabdruckzwecke ohne Kontakt, gibt es eine schnellwachsende Nachfrage nach Photosensoren, die in dem Infrarotspektralbereich mit einer Wellenlänge über 1 Mikrometer sensitiv sind, wo konventionelle Siliziumphotosensoren nicht mehr sensitiv sind.
  • Ein weitverbreitetes Verfahren für die Erfassung von Infrarotstrahlung ist die Verwendung pyroelektrischer Materialien, die in der Lage sind zum spontanen Ändern ihrer elektrischen Polarisation als eine Funktion der Temperatur, wie zum Beispiel beschrieben durch J. Fraden in ”Handbook of Modern Sensors”, 3. Ausgabe, Springer 2004. Diese Polarisationsänderung kann als eine Strom- oder Spannungsänderung erfasst werden, wobei bekannte elektronische Messschaltungen verwendet werden. Aufgrund der Schwierigkeit einer Verarbeitung der meisten pyroelektrischen Materialien wird nur eine begrenzte Anzahl von photosensorischen Elementen (Pixel) auf einer einzigen Detektorvorrichtung hergestellt, typischerweise zwischen einem und mehreren hundert Pixeln (Bildpunkten).
  • In einer Thermosäule wird eine größere Anzahl von infrarotsensitiven Bildpunkten mit thermoelektrischen Materialsystemen hergestellt, wie zum Beispiel beschrieben durch J. Fraden in ”Handbook of Modern Sensors”, 3. Auflage, Springer 2004. Sie bestehen aus einer Kombination von zwei verschiedenen Arten von Halbleitermaterialien, einem sogenannten Thermoelement. Aufgrund des Seebeck-Effekts produziert ein solches Thermoelement eine Spannung als eine Funktion eines Temperaturunterschiedes über der Vorrichtung. Ein Thermosäulensensor wird aus mehreren hundert bis mehreren tausend Thermoelementbildpunkten auf der gleichen Vorrichtung gebildet.
  • Sogar eine größere Anzahl von Infrarotbildpunkten – bis zu mehreren 100000 Pixel auf einer Vorrichtung – können hergestellt werden mit Mikrobolometeranordnungen, wie zum Beispiel beschrieben in J. Fraden in ”Handbook of Modern Sensors”, 3. Auflage, Springer 2004. Jeder Bildpunkt besteht aus einem wärmeisolierten Wärmeabsorber auf einem leitenden Material, der eine große Widerstandsänderung als Funktion der Temperatur zeigt. Mikrobolometersensoren können ohne Kühlung betrieben werden. Weil ihr Arbeitsprinzip von einer Vorrichtungserwärmung abhängt, ist die Sensitivität von Mikrobolometern jedoch recht beschränkt und es ist unmöglich, in die Nähe einer Einphotonsensitivität zu kommen.
  • Diese Beschränkung kann überwunden werden mit Infraroterfassungsvorrichtungen basierend auf dem photoelektrischen Effekt, wie zum Beispiel beschrieben durch B. E. A. Saleh und M. C. Teich, ”Fundamentals of Photonics”, 2. Auflage, John Wiley and Sons, 2007. In einer ersten Art von photoelektrischen Vorrichtungen wird der äußere photoelektrische Effekt in Metallen und Halbleitern im Vakuum ausgenutzt. Falls ein einfallendes Photon mit ausreichender Energie von einem Elektron in dem photoelektrischen Material absorbiert wird, kann dieses stimulierte Elektron die Anziehungskraft des Metalls überwinden, sodass das Elektron das Material verlassen kann und in den Vakuumraum eintreten kann. In diesem Vakuum kann das befreite Elektron mit zusätzlicher Energie versorgt werden, oft durch Beschleunigung in einem elektrischen Hochspannungsfeld, sodass jedes individuelle Elektron zuverlässig erfasst werden kann.
  • Um die Herstellung eines Infrarotsensors zu vereinfachen und um die Produktionskosten zu verringern, versucht man die Verwendung eines Vakuums zu vermeiden. Dies kann mit dem inneren photoelektrischen Effekt erreicht werden, der durch Halbleitermaterialsysteme ausgenutzt wird. Diese Materialien zeigen eine Bandlückenstruktur in ihrem Energiediagramm mit einem vollständig gefüllten Valenzband und einem vollständig leeren Leitungsband bei absolutem Temperaturnullpunkt. Falls die Energie eines einfallenden Elektrons größer als die Bandlücke ist – die Energiedifferenz zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband –, dann kann das einfallende Photon von dem Halbleitermaterial absorbiert werden und ein Paar beweglicher Ladungen erzeugen, ein Elektron in dem Leitungsband und ein Loch in dem Valenzband. Auf diese Weise modifiziert die einfallende Strahlung die elektrischen Leitungseigenschaften in dem Halbleitermaterial, was mit elektrischen Schaltungen erfasst werden kann. In photoleitenden Sensoren wird die Änderung eines effektiven Widerstands als Funktion der Intensität der einfallenden Strahlung gemessen. In Photovoltaiksensoren bewegen sich die photoerzeugten Ladungspaare in einem elektrischen Feld, wodurch eine elektrostatische Potentialänderung über der Vorrichtung als Funktion der Intensität der einfallenden Strahlung erzeugt wird. Die Photosensoren mit höchster Sensitivität, die auf dem inneren Photoeffekt basieren, bestehen aus verarmten Halbleiterbereichen, die entweder mit Photodioden mit Sperrvorspannung, wie zum Beispiel in CMOS-Bildsensoren verwendet, oder mit MOS-(Metalloxidhalbleiter)-Strukturen, wie zum Beispiel in ladungsgekoppelten Bauelementen-(CCD, englisch: Charge Coupled Device)-Bildsensoren oder Photogate-Bildsensoren verwendet, erzeugt. In diesen Sensitivphotosensoren werden die Bauelemente mit einem bestimmten Rückwärtspotential vorgespannt und diese werden dann elektrisch potentialfrei gelassen. Die photoerzeugten Ladungsträger reduzieren die Spannung über dem Bauelement proportional zu der Intensität der einfallenden Strahlung. Diese Spannungsänderung kann werden mit einem Raumtemperaturausleserauschen entsprechend weniger als einem Elektron RMS elektrisch erfasst, wie zum Beispiel von Ch. Lotto und P. Seitz im europäischen Patent Nr. 8,119,972 B2 ”Solid state image sensing device having a low pass filter for limiting signal frequencies passing to the Output node of an inverting amplifier” beschrieben.
  • Alle diese sensitiven Strahlungsdetektoren, die den äußeren oder inneren Photoeffekt verwenden, haben gemeinsam, dass sie einfallende Photonen nicht erfassen können, deren Energie zu niedrig ist, um entweder die effektive Austrittsarbeit in dem Fall des äußeren Photoeffekts zu überwinden oder bewegliche Ladungspaare über der Bandlücke im Fall des inneren Photoeffekts zu erzeugen. Folglich weisen diese sensitiven Photodetektoren eine sogenannte Cutoff-Wellenlänge λC auf, über der sie nicht mehr sensitiv sind. Die Cutoff-Wellenlänge λC ist invers proportional zu der Minimalenergie Emin, die benötigt wird zum Erzeugen von beweglichen Ladungsträgern aufgrund des Photoeffekts, λC = h × c/Emin, mit der Planck-Konstanten h und der Vakuumlichtgeschwindigkeit c. Dies impliziert, dass der photoelektrische Effekt ungeeignet ist für die Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in dem Infrarotspektralbereich mit besonders langen Wellenlängen.
  • Diese Beschränkung von abwesender Infrarotsensitivität kann überwunden werden mit einer Halbleitervorrichtung gemäß dem HIP(Homoübergangs-Interne-Photoemission)-Prinzip, wie zum Beispiel beschrieben durch A. G. U. Perera et al. in ”Homojunction internal photoemission far-inf rared detectros; Photoresponse performance analysis”, J. Applied Physics Volume 77, pages 915–923, 1995. Ein HIP-Detektor besteht aus einer vertikalen Anordnung eines hochdotierten Halbleiterbereichs an der Oberfläche des Bauelements, gefolgt von einem leichtdotierten (oder intrinsischen) Bereich. In dem hochdotierten Bereich ist eine große Anzahl von freien Ladungsträgern präsent und diese können mit der eingehenden elektromagnetischen Strahlung durch freie Trägerabsorption (FCA, engl.: Free Carrier Absorption) Wechselwirkung. Ein freier Ladungsträger kann die Energie eines einfallenden Photons absorbieren, wodurch sich ein photostimulierter Ladungsträger ergibt. Diese photostimulierten Ladungsträger verlieren ihre Energie recht schnell durch verschiedene unelastische und elastische Streuprozesse über eine charakteristische Distanz L, die sogenannte Streulänge. In einem HIP-Bauelement wird eine Potentialbarriere ausgebildet zwischen dem stark- und dem leichtdotierten Halbleiter Bereich, parallel zu der Oberfläche des HIP-Bauelements. Falls ein photostimulierter Ladungsträger produziert wird, der sich weniger als die Streulänge L von der Potentialbarriere befindet, und falls die Energie des photostimulierten Ladungsträgers ausreichend hoch ist, dann kann der Ladungsträger die Potentialbarriere überwinden, er wird vertikal durch den leichtdotierten Bereich in den Halbleiter transportiert, wo er mit einer der aus der Literatur bekannten elektronischen Schaltungen erfasst werden kann. Solche HIP-Photosensoren, die zum Beispiel aus Silizium oder Germanium hergestellt werden, wurden für die Erfassung von Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 200 Mikrometer verwendet.
  • Die HIP-Infrarotphotosensoren leiden jedoch unter zwei Hauptnachteilen: (1) Die Potentialbarriere, die stimulierte Ladungen überwinden müssen, wird permanent festgelegt durch die Materialien, die zur Herstellung des HIP-Photosensors verwendet werden; sie kann durch die Austrittsarbeit eines bestimmten Metalls bestimmt werden oder sie wird durch die Dotierkonzentration des leichtdotierten Halbleitervolumens bestimmt. Folglich kann die Cutoff-Wellenlänge an solchen HIP-Photosensoren nicht elektrisch angepasst werden. (2) Die einfallenden infraroten Photonen erzeugen stimulierte Ladungsträger, die vertikal durch den hochdotierten Wandlungsbereich diffundieren müssen, bevor sie das leichtdotierte Halbleitervolumen erreichen, wo sie erfasst werden können. Da stimulierte Ladungsträger in hochdotierten Halbleitern eine sehr kurze Lebensdauer vor Thermalisierung aufweisen, ist ihre Diffusionslänge in dem hochdotierten Halbleiter auf kurze Distanzen in der Größenordnung von Nanometern begrenzt. Folglich ist die effektive Quantenausbeute eines solchen HIP-Photosensors sehr klein verglichen mit Photosensoren, die den photoelektrischen Effekt in verarmten Halbleiterbereichen ausnutzen.
  • Zitatliste
  • Nicht-Patentliteratur
    • NPL 1: ”Handbook of Modern Sensors”, 3. Auflage, J. Fraden, Springer 2004
    • NPL 2: ”Fundamentals of Photonics”, 2. Auflage, B. E. A. Saleh und M. C. Teich, John Wiley und Söhne, 2007
    • NPL 3: ”Homojunction internal photoemission farinfrared detectors: Photoresponse performance analysis”, J. Applied Physics, Volume 77, Seiten 915–924, 1995
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Um die Beschränkungen dieser bekannten Verfahren und Bauelemente zu überwinden, beschreibt die vorliegende Erfindung ein Halbleiterphotosensorbauelement für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 1 bis 1000 Mikrometern, das die freie Trägerabsorption in einem hochdotierten Halbleitervolumen verwendet. Die Cutoff-Wellenlänge des Infrarotphotosensors gemäß der vorliegenden Erfindung kann beliebig durch eine Auswahl einer Spannung an einer Gate-Elektrode angepasst werden. Der Transport von stimulierten Ladungsträgern geschieht seitwärts, was zu einer verbesserten Quantenausbeute verglichen mit konventionellen HIP-Infrarotphotosensoren führt.
  • Die vorliegende Erfindung überwindet die oben beschriebenen Beschränkungen von Infrarotphotosensoren durch Bereitstellen eines Photosensorbauelements für die sensitive Erfassung infraroter Strahlung im Wellenlängenbereich von 1 bis 1000 Mikrometern. Es besteht aus einem Halbleitersubstrat mit einem hochdotierten Wechselwirkungsvolumen für die einfallende Infrarotstrahlung. An der Kante dieses hochdotierten Bereichs ist eine erweiterte Gate-Elektrode platziert, die aus einem leitenden Material auf einer Isolationsschicht besteht. Auf der anderen Seite der Gate-Elektrode ist ein anderer hochdotierter Halbleiterbereich platziert, der als Ladungskollektor agiert. Durch freie Ladungsträgerabsorption in dem Wechselwirkungsvolumen vermitteln einfallende Infrarotphotonen ihre Energie an bewegliche Ladungsträger. Falls die beweglichen Ladungsträger freie Elektronen sind, wird die Gate-Elektrode leicht unter die Rückwerfspannung des Wechselwirkungsvolumens vorgespannt, sodass die Elektronen, die die zusätzliche Energie der absorbierten Photonen tragen, vorwiegend den Übergang von dem Wechselwirkungsvolumen über dem Gate-Elektrodenbereich zu dem Ladungskollektorvolumen durchführen, dessen Potential ausreichend hoch eingestellt wurde, sodass die gesammelten freien Elektronen in diesem Halbleiterbereich verbleiben. Die gesammelten freien Ladungsträger werden elektronisch mit bekannten Schaltungen für die Messung von elektrischem Strom oder Ladungspaketen erfasst. Eine Vielzahl solcher Photosensorbauelemente kann in 1- oder 2-dimensionalen Anordnungen angeordnet werden, um Linien- oder Flächensensoren für Infrarotstrahlung auszubilden.
  • Lösung des Problems
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Photosensor zum Erfassen von Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 1 bis 1000 Mikrometern. Der Photosensor umfasst einen Hauptbereich eines Halbleitersubstrats; ein hochdotiertes Wechselwirkungsvolumen für die ankommende Strahlung in dem Halbleitersubstrat; eine angrenzende Gate-Elektrode, enthaltend ein leitendes Material auf einer Isolationsschicht, wobei die angrenzende Gate-Elektrode eine erweiterte Struktur angrenzend an das Wechselwirkungsvolumen ist; und einen angrenzenden hochdotierten Kollektorbereich, der als Ladungskollektor agiert, wobei der Kollektorbereich im Wesentlichen aus einer hochdotierten Halbleiterzone besteht und eine erweiterte Struktur angrenzend an die Gate-Elektrode ist. In dem Photosensor wird das Wechselwirkungsvolumen auf eine erste Spannung VB vorgespannt, der Kollektorbereich wird elektrisch auf eine zweite Spannung VS vorgespannt, die höher als die erste Spannung VB ist, falls photostimulierte Elektronen gesammelt werden sollen, und die kleiner als die erste Spannung ist, falls photostimulierte Löcher gesammelt werden sollen, die einfallenden Photonen vermitteln ihre Energie durch freie Trägerabsorption an bewegliche Ladungsträger in dem Wechselwirkungsvolumen, wodurch photostimulierte Elektronen produziert werden, falls die freien Ladungsträger Elektronen sind, oder photostimulierte Löcher produziert werden, falls die freien Ladungsträger Löcher sind, und die Gate-Elektrode ist auf eine dritte Spannung VG vorgespannt, sodass eine Potentialbarriere für die photostimulierten Ladungsträger in dem Wechselwirkungsvolumen erzeugt wird, sodass die von den einfallenden Photonen vermittelte Energie ausreichend ist, damit die photostimulierten Ladungsträger die Potentialbarriere überwinden können, und die photostimulierten Ladungsträger in dem Kollektorbereich für eine nachfolgende elektronische Erfassung gesammelt werden können.
  • In dem obigen Photosensor kann ein Bereich des Wechselwirkungsvolumens an wenigsten eine Seite der Gate-Elektrode und des Kollektorbereichs angrenzen. Der Kollektorbereich kann von der Gate-Elektrode umgeben sein, die von einem Bereich in dem Wechselwirkungsvolumen umgeben ist. Der Kollektorbereich kann eine rechteckige Struktur, eine Kreisstruktur oder eine Polygonstruktur aufweisen.
  • Der obige Photosensor kann weiterhin einen Verstärker oder eine Schaltung umfassen, die mit dem Kollektorbereich verbunden ist, wobei der Verstärker oder die Schaltung die zweite Spannung VS erfasst und eine Ausgangsspannung Vout produziert. Der Verstärker oder die Schaltung können einen Rücksetzschalter enthalten, der den Kollektorbereich auf die zweite Spannung VS zurücksetzt. Der Rücksetzschalter kann den Kollektorbereich periodisch zurücksetzen. Der Verstärker oder die Schaltung können einen Erfassungsknoten und einen Source-Folgetransistor enthalten, wobei der Erfassungsknoten auf die zweite Spannung VS durch den Rücksetzschalter zurückgesetzt wird, und mit einem Gate des Source-Folgetransistors verbunden ist.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Diese Erfindung kann einen Photosensor bereitstellen zur hochsensitiven Erfassung von Infrarotstrahlung über einen weiten, anpassbaren Spektralbereich.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • Die Erfindung wird besser verstanden werden, und andere Aufgaben als die oben genannte werden offenbar werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung in Betracht gezogen wird. Diese Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Abbildungen, wobei:
  • 1 zeigt einen Querschnitt eines Infrarotphotosensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Im unteren Teil der Figur ist die seitliche Verteilung des Oberflächenpotentials ΦS (das elektrostatische Potential an der Oberfläche des Halbleiters) gezeigt für den Fall, dass die freien Ladungsträger in dem Wechselwirkungsbereich Elektronen sind, und wobei das Potential Vλ der einfallenden infraroten Photonen größer ist als die Gate-Potentialdifferenz VB – VG.
  • 2 zeigt einen Querschnitt des Infrarotphotosensors gemäß der vorliegenden Erfindung. In dem unteren Teil der Figur wird die seitliche Verteilung des Oberflächenpotentials ΦS (das elektrostatische Potential an der Oberfläche des Halbleiters) gezeigt für den Fall, dass die freien Ladungsträger in dem Wechselwirkungsbereich Elektronen sind, und wobei das Potential Vλ der einfallenden infraroten Photonen kleiner ist als die Gate-Potentialdifferenz VB – VG.
  • 3 zeigt die Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform des Infrarotphotosensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Er besteht aus einer linearen Anordnung eines hochdotierten Wechselwirkungsvolumens, das von beiden Seiten von Kollektorstrukturen begrenzt wird.
  • 4 zeigt eine Draufsicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Infrarotphotosensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Er besteht aus einer zweidimensionalen Anordnung von rechteckigen Kollektorstrukturen in einem hochdotierten Wechselwirkungsvolumen.
  • 5 zeigt die Draufsicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Infrarotphotosensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Er besteht aus einer zweidimensionalen Anordnung von kreisförmigen Kollektorstrukturen in einem hochdotierten Wechselwirkungsvolumen.
  • 6 zeigt eine beispielhafte Schaltung für das kontinuierliche Auslesen des Stroms von der Kollektorstruktur. Sie besteht aus einem Transimpedanzverstärker, der einen Eingangsstrom in eine Signalspannung umwandelt.
  • 7 zeigt eine beispielhafte Schaltung für das Auslesen von Ladungsträgern in der Kollektorstruktur. Sie besteht aus einem Ladungsintegrator mit Rücksetzschalter.
  • 8 zeigt eine weitere beispielhafte Schaltung für das Auslesen von Ladungsträgern in der Kollektorstruktur. Sie besteht aus einem Source-Folger mit einem Rücksetzschalter, der mit dem Erfassungsknoten verbunden ist.
  • 9 zeigt eine beispielhafte Schaltung für das Auslesen von Ladungsträgern in der Kollektorstruktur, die einen vergrößerten dynamischen Bereich anbietet. Sie besteht aus einem Source-Folger mit einem Rücksetzschalter, der mit dem Erfassungsknoten verbunden ist, und einer Stromquelle, die auch mit dem Erfassungsknoten verbunden ist, durch welche ein programmierbarer Kompensationsstrom IC fließen kann.
  • 10 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltung in 9 für das Auslesen von Ladungsträgern in der Kollektorstruktur, die einen vergrößerten dynamischen Bereich anbietet. Sie besteht aus einem Source-Folger mit einem Rücksetzschalter, der mit dem Erfassungsknoten verbunden ist, und einem einzelnen Transistor, der in einem gesättigten Modus betrieben wird, als eine Stromquelle, die auch mit dem Erfassungsknoten verbunden ist. Dieser Transistor agiert als programmierbare Stromquelle, durch welche der Kompensationsstrom IC fließen kann.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Es ist eine prinzipielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Photosensor bereitzustellen für die hochsensitive Erfassung von Infrarotstrahlung in dem breiten Spektralbereich von 1 bis 1000 Mikrometern.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Infrarotphotosensor bereitzustellen, der hergestellt werden kann mit einem Industriestandardhalbleiterprozess, wie zum Beispiel den weithin verfügbaren siliziumbasierten CMOS-Prozessen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Infrarotphotosensor bereitzustellen, dessen Cutoff-Wellenlänge schnell und wählbar mit einer Spannung ausgewählt werden kann.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Infrarotphotosensorbauelement bereitzustellen mit solch einer kleinen Grundfläche, dass ein- und zwei-dimensionale Infrarotbildsensoren erzeugt werden können unter Verwendung eines Industriestandardhalbleiterprozesses, was in einem Infrarotsensor mit wenigstens 1 Megapixel pro Quadratzentimeter resultiert.
  • Schließlich ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Photosensorbauelement bereitzustellen, das unterscheiden kann zwischen von einfallenden Infrarotphotonen erzeugten Photoströmen und Strömen, die entweder erzeugt werden durch thermische Anregung (sogenannte Dunkelströme) oder von einfallenden sichtbaren Photonen erzeugte Photoströme. Diese Unterscheidung durch einen geeigneten elektrischen Betrieb des Bauelements wird gemacht, ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen optischen Filtern.
  • Im Hinblick auf die vorhergehenden Aufgaben wird die vorliegende Erfindung erreicht mit einem in 1 gezeigten Halbleiterbauelement. Es besteht aus einem leichtdotierten oder intrinsischen Halbleitersubstrat 55 (Hauptbereich 1), der auf eine Substratspannung Vsub durch den hochdotierten Kontaktbereich 2 vorgespannt wird. Im Substrat 55 ist ein Wechselwirkungsvolumen 3 als hochdotiertes Halbleitervolumen des entgegengesetzten Typs wie der Hauptbereich 1 des Substrats 55 ausgebildet. Das Wechselwirkungsvolumen 3 kann zurückgesetzt werden auf ein Vorspannungspotential VB durch einen Vorspannungsschalter 8. Angrenzend an das Wechselwirkungsvolumen 3 ist eine ausgedehnte Gate-Elektrode 4 platziert, die aus einer leitenden Schicht besteht, auf der eine Isolationsschicht ausgebildet ist. Die Gate-Elektrode 4 ist mit der Gate-Spannung VG verbunden. Auf der anderen Seite der Gate-Elektrode 4 ist ein Kollektorbereich 5 als hochdotierter Halbleiterbereich des gleichen Typs wie das Wechselwirkungsvolumen 3 ausgebildet. Der Kollektorbereich 5 ist mit einem Verstärker 6 (Verstärkerschaltung) verbunden, die das Signalpotential VS erfasst und die Ausgangsspannung Vout produziert. Einfallende Photonen 7 wechselwirken mit den freien Ladungsträgern in dem Wechselwirkungsvolumen 3, vermitteln ihre Energie an freie Ladungsträger und stimulieren diese in einen höheren Energiezustand.
  • Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im Folgenden angenommen, dass die freien Ladungsträger Elektronen sind, wobei in diesem Fall das Wechselwirkungsvolumen 3 und das Kollektorvolumen 5 vom n+ Typ sind und der Hauptbereich des Substrats 55 entweder vom p– Typ oder intrinsisch ist. Das Wechselwirkungsvolumen 3 wird durch Schalter 8 auf die Zwischenvorspannung VB vorgespannt. Die Substratspannung Vsub wird so angepasst, dass kein Nettostrom zwischen Wechselwirkungsvolumen 3 und Hauptbereich 1 des Substrats 55 fließt. Die Gate-Spannung VG wird kleiner als die Vorspannung VB ausgewählt, sodass eine elektrostatische Barriere mit einer Potentialdifferenz von (VB – VG) für die freien Elektronen im Wechselwirkungsvolumen 3 erzeugt wird. Aufgrund thermischer Anregung der freien Elektronen im Wechselwirkungsvolumen 3 weisen einige dieser thermisch angeregten (stimulierten) Elektronen eine ausreichende Energie auf, um die Potentialbarriere zu überwinden, sodass sie durch Gate-Bereich 4 diffundieren können und im Kollektorbereich 5 gesammelt werden können.
  • Der Kollektorbereich 5 wird durch eine hohe positive Spannung VS vorgespannt, um die gesammelten Elektronen davon abzuhalten, in den Wechselwirkungsbereich zurückzukehren. Freie Elektronen, die die Potentialbarriere aufgrund thermischer Anregung überwinden, stellen einen temperaturabhängigen Dunkelstrom des Photosensors gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
  • Einfallende Photonen wechselwirken im Wechselwirkungsbereich 3 mit den freien Elektronen aufgrund des freien Trägerabsorptions-(FCR, engl.: Free Carrier Absorption)-Effekts, wie zum Beispiel von P. Y. Yu und M. Cardona in ”Fundamentals of Semiconductors”, 4. Auflage, Springer, 2010 beschrieben. Der Absorptionskoeffizient aufgrund des FCA ist proportional zu der Dotierkonzentration des Wechselwirkungsbereichs und zu dem Quadrat der Wellenlänge der einfallenden Photonen. In dotierten Halbleitern wird die Absorption von elektromagnetischer Strahlung von FCA über der Cutoff-Wellenlänge dominiert. In starkdotiertem Silizium ist FCA der dominante Absorptionsmechanismus im Wellenlängenbereich von 1,1 Mikrometern bis wenigstens 1000 Mikrometern.
  • Wenn ein einfallendes Photon mit Wellenlänge λ mit einem freien Elektron durch FCA wechselwirkt, vermittelt das Photon seine Energie E = h × c/λ an das freie Elektron. Dies entspricht einem angeregten (stimulierten) Energiezustand des Elektrons mit einer Potentialdifferenz von Vλ = E/q = h × c/(λ × q) in dem Potentialdiagramm der 1, wobei q die Einheitsladung q gleich 1,602 × 10–19 As bezeichnet.
  • Falls diese Potentialdifferenz Vλ wenigstens so groß ist wie die Potentialbarriere (VB – VG), die von der Gate-Elektrode erzeugt wird, dann kann das stimulierte Elektron die Potentialbarriere überwinden, es kann durch den Gate-Bereich diffundieren, und dann in dem Kollektorbereich 5 gesammelt werden, wo es zu der Signalladung beiträgt. In diesem Betriebsmodus ist der Photostrom unabhängig von der Gate-Spannung VG solange wie Vλ größer als die Potentialbarriere (VB – VG) ist. Dies ist der bevorzugte Betriebsmodus, falls das Bauelement auf solch niedrige Temperaturen gekühlt wird, dass die Dunkelstromdichte vergleichbar oder kleiner als der Photostrom ist.
  • Das Bauelement kann auch betrieben werden mit keiner oder nur wenig Kühlung, und dessen Betriebsmodus für diesen Fall ist in 2 dargestellt: Das Potential Vλ der photostimulierten Elektronen ist kleiner als die Potentialbarriere (VB – VG). In diesem Fall müssen freie Elektronen, die zu dem Dunkelstrom als auch zu dem Photostrom beitragen, thermisch angeregt werden, um die Potentialbarriere zu überwinden, die durch (VB – VG) dargestellt wird. Aus diesem Grund ist der Gesamtphotostrom IP gegeben als die Summe dreier Komponenten, Dunkelstrom Id, plus Photostrom IV, der durch einfallende Photonen mit Energie unter der Cutoff-Wellenlänge des Halbleiters erzeugt wird, plus der Signalphotostrom IS, der durch einfallende infrarote Photonen erzeugt wird: IP = Ib + IV + IS. Weil beide Ströme Id und Is von der thermischen Anregung für die Elektronen abhängen, um die Potentialbarrieren zu überwinden, sind sie proportional zueinander, das heißt, Is = A(λ) × PIR × Id, wobei die Intensität PIR der einfallenden Infrarotstrahlung und die Proportionalitätskonstante A(λ) von der Wellenlänge λ der einfallenden Infrarotphotonen abhängen. Während beide Ströme Id und Is exponentiell von der Gate-Spannungsdifferenz (VB – VG) abhängen, hängt der Photostrom IV nicht von ihr ab. Aus diesem Grund ist es möglich, IV als den Beitrag zu dem Gesamtbauelementstrom zu bestimmen, der unabhängig von der Gate-Spannung ist, durch Messen des Gesamtstroms für zwei oder mehr unterschiedliche Gate-Spannungen und durch Berechnen des Konstantenteils in dem Strom. Deshalb kann der Anteil von einfallender Strahlung, deren Wellenlänge unterhalb der Cutoff-Wellenlänge des Halbleiters ist, ohne die Notwendigkeit für zusätzliche optische Filter gemessen werden.
  • In jedem Fall besteht das rohe Ausgangssignal des Verstärkers 6 aus der Summe von Signalströmen plus temperaturabhängiger Dunkelstrom. Das Nettosignal wird durch Bestimmen der Differenz zwischen Rohausgangssignal und dem Beitrag des Dunkelstroms erhalten. Eine bevorzugte Weise zum Bestimmen des Dunkelstroms ist die Bereitstellung eines zusätzlichen Photosensors gemäß der vorliegenden Erfindung als Referenzbauteil, dessen Oberfläche vollständig mit einem Material bedeckt ist, das für die einfallende elektromagnetische Strahlung undurchlässig ist. Aus diesem Grund liegt der von diesem Bauteil gemessener Gesamtstrom nur aufgrund des Dunkelstroms vor, und falls die Temperatur des Referenzbauteils die gleiche wie das nicht abgedeckte Messbauteil ist, dann ist auch der Dunkelstrom in dem Messbauteil bekannt.
  • Die Abregungs-(Relaxations)-Zeit von freien Ladungsträgern in hochdotierten Halbleitern ist sehr klein; in Silizium ist sie in der Größenordnung von einer lps. Folglich existiert eine Streulänge L, über die ein angeregter Ladungsträger seine Photostimulationsenergie verliert; in Silizium ist diese Streulänge in hochdotiertem Silizium in der Größenordnung von 1 nm. Nur freie Elektronen, die mit einfallenden Photonenwechselwirkungen wirken, die sich in einem Abstand weniger als L entfernt von der Gate-Elektrode befinden, haben eine Chance, die Potentialbarriere zu überwinden. Dies ist in 1 und 2 gezeigt. Es ist deshalb wünschenswert, die Breite des Wechselwirkungsbereichs so klein wie möglich zu machen, um eine große Quantenausbeute des sich ergebenden Photosensors zu erhalten. Bevorzugte Ausführungsformen des Infrarotphotosensors gemäß der vorliegenden Erfindung werden in 3, 4 und 5 gezeigt:
  • In 3 wird eine streifenähnliche Anordnung des Photosensors 50a gezeigt mit einem langen und dünnen Wechselwirkungsbereich 10, der auf beiden Seiten von Gate-Elektrode 11 und Kollektorbereich 12 begrenzt wird. Wie in der Figur gezeigt, trägt der innere Teil des Wechselwirkungsbereichs 10, der weiter als eine Distanz L von den Elektroden 11 entfernt ist, nicht zu dem Photosignal bei, und er ist im Wesentlichen inaktiv in unserem Photosensor.
  • In 4 ist der Photosensor 50b mit einer zweidimensionalen Anordnung von kleinen rechteckigen Kollektorbereichen 22 gezeigt, die von Gate-Elektroden 21 in einem größeren Wechselwirkungsbereich 20 umgeben sind. Das Signal von allen Kollektorbereichen 22 wird addiert, sodass Photosensoren mit beliebiger Fläche realisiert werden kann, ohne Sensitivität zu verlieren.
  • Wie in 5 gezeigt, kann der Photosensor 50c mit kleinen Kollektorbereichen 32, die von Gate-Elektroden 31 umgeben sind, alternativ kreisförmige Strukturen realisiert werden. Diese Ausführungsform stellt konstante elektrische Feldbedingungen um den Umfang der Gate-Elektroden bereit, wodurch jegliche Hochfeldbereiche an Ecken verhindert werden.
  • Freie Ladungsträger, die in den Kollektorbereichen gesammelt werden, werden mit bekannten elektronischen Schaltungen erfasst. Bevorzugte Ausführungsformen einer Verstärkerschaltung 6, die symbolisch in 1 und 2 gezeigt sind, werden in 6 bis 10 dargestellt:
    6 zeigt eine Transimpedanzverstärkerschaltung 6a, die für die kontinuierliche Messung eines Stroms I verwendet wird, der von dem mit dem Eingang dieser Schaltung verbundenen Kollektorbereich bereitgestellt wird. Diese Transimpedanzverstärkerschaltung 6a hält den Kollektorbereich an einem Potential VS und an seinem Ausgang stellt es eine Spannung Vout = R × I bereit, die proportional zu dem Eingangsstrom I ist, wobei R der Widerstand der Rückkopplungsschleife ist.
  • 7 zeigt eine Ladungsintegratorschaltung 6b, die in der Lage ist zum Integrieren der in dem Kollektorbereich akkumulierten Ladung Q. Eine Integration findet an dem Kondensator C in der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers statt, wodurch sich eine Ausgangsspannung Vout = Q/C ergibt. Sobald eine Integrationsperiode beendet ist, wird die Ausgangsspannung von einer externen Schaltung ausgelesen, und die Ladungsintegratorschaltung wird durch Schließen des Rücksetzschalters in der Rückkopplungsschleife mit dem Vreset-Signal zurückgesetzt. Auf diese Weise wird der Kollektorbereich periodisch auf das Potential Vs zurückgesetzt.
  • 8 zeigt eine Source-Folgeschaltung 6c, die in der Lage ist zum Messen der in dem Kollektorbereich akkumulierten Ladung Q mit hoher Sensitivität. Eine Ladungsintegration findet in dem Kondensator C statt, der mit dem Erfassungsknoten verbunden ist. Bevor eine Ladungsintegration startet, wird der Erfassungsknoten auf das Potential VS durch Schließen des Rücksetzschalters zurückgesetzt, der mit dem Erfassungsknoten verbunden ist, mit dem Vreset-Signal. Eine Integration der Ladung Q auf dem Kondensator C resultiert in einem Spannungssignal, das durch V = Q/C gegeben ist, auf dem Erfassungsknoten, der elektrisch mit dem Gate des Source-Folgetransistors verbunden ist. Die Source des Source-Folgetransistors ist durch einen Widerstand R mit dem Massepotential verbunden und der Drain ist mit der Stromversorgungsspannung VDD verbunden. An der Ausgabe der Source-Folgeschaltung wird eine Spannung Vout produziert, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Gate-Spannung minus einer Offsetspannung VT, das heißt Vout ≅ Q/C – VT.
  • 9 zeigt die schematische Abbildung einer elektronischen Schaltung 6d, die einen vergrößerten dynamischen Bereich der Strommessung anbietet, basierend auf der in 8 gezeigten Source-Folgeschaltung. Solch ein vergrößerter dynamischer Bereich ist wünschenswert in Fällen, in denen der Dunkelstrom einen signifikanten Teil des von dem Photosensorbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung gemessenen Gesamtstroms darstellt. Dieser vergrößerte dynamische Bereich kann erreicht werden mit einer programmierbaren Stromquelle in Reihe mit Photosensorbauelement. Auf diese Weise kann ein Kompensationsstrom IC von dem mit dem Bauelement gemessenen Gesamtstrom subtrahiert werden. Falls dieser Gesamtstrom nahe dem Dunkelstrom ist, wird der Einfluss des Dunkelstroms auf dem Nettosignalstrom signifikant reduziert, und somit wird der dynamische Messbereich des Bauelements entsprechend vergrößert.
  • 10 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltung 6e mit vergrößertem dynamischen Bereich, die schematisch in 9 gezeigt ist. Die programmierbare Stromquelle wird mit einem im Sättigungsmodus betriebenen einzelnen Transistor implementiert, das heißt, der Strom durch diesen Transistor ist im Wesentlichen unabhängig von der Source-Drain-Spannung, und der Kompensationsstrom I kann mit der Gate-Spannung programmiert werden.
  • Der Infrarotphotosensor gemäß dieser Erfindung kann implementiert werden mit kommerziell verfügbaren Halbleiterprozessen, wie eine photosensitive Struktur mit Dimensionen im Mikrometerbereich, ähnlich in Größe mit photosensitiven Bereichen in bekannten siliziumbasierten Photosensoren für den sichtbaren und Nahinfrarotspektralbereich. Bevorzugte Ausführungsformen der Ladungserfassungsschaltungen für Infrarotsensoren gemäß dieser Erfindung sind auch sehr ähnlich zu Photoladungserfassungsschaltungen, die in bekannten siliziumbasierten Photosensoren für den visuellen und Nahinfrarotspektralbereich verwendet werden. Folglich weist ein vollständiger Infrarotsensor gemäß dieser Erfindung eine vergleichbare Grundfläche wie bekannte Bildpunkte von siliziumbasierten Photosensoren für den sichtbaren und Nahinfrarotspektralbereich auf. Aus diesem Grund ist es möglich, eine Vielzahl von Infrarotphotosensoren gemäß dieser Erfindung auf dem gleichen Stück eines Halbleiters herzustellen. Insbesondere können eindimensionale Infrarotliniensensoren und zweidimensionale Infrarotbildsensoren hergestellt werden mit Bildpunktdichten, die vergleichbar sind mit denjenigen, die für siliziumbasierte Linien und Bildphotosensoren für den sichtbaren und Nahinfrarotspektralbereich erhalten werden.
  • Wie oben beschrieben, enthält der Photosensor gemäß dieser Erfindung einen Hauptbereich eines Halbleitersubstrats, ein hochdotiertes Wechselwirkungsvolumen für die einfallende Strahlung in dem Halbleitersubstrat, eine angrenzende Gate-Elektrode, enthaltend ein leitfähiges Material auf einer Isolationsschicht, wobei die benachbarte Gate-Elektrode eine ausgedehnte Struktur angrenzend an das Wechselwirkungsvolumen ist, und ein angrenzender hochdotierter Kollektorbereich, der als Ladungskollektor agiert, wobei der Kollektorbereich im Wesentlichen besteht aus einer hochdotierten Halbleiterzone und die eine ausgedehnte Struktur angrenzend an die Gate-Elektrode ist. Das Interaktionsvolumen wird elektrisch auf eine erste Spannung VB vorgespannt, der Kollektorbereich wird elektrisch auf eine zweite Spannung VS vorgespannt, die höher als die erste Spannung VB ist, falls photostimulierte Elektronen gesammelt werden sollen, und die niedriger als die erste Spannung VB ist, falls photostimulierte Löcher gesammelt werden sollen. Die einfallenden Photonen vermitteln ihre Energie durch freie Trägerabsorption an bewegliche Ladungsträger in dem Wechselwirkungsvolumen, wodurch photostimulierte Elektronen produziert werden, in dem Fall, dass die freien Ladungsträger Elektronen sind, oder photostimulierte Löcher produziert werden, in dem Fall, dass die freien Ladungsträger Löcher sind. Die Gate-Elektrode wird auf eine dritte Spannung VG vorgespannt, sodass eine Potentialbarriere für die photostimulierten Ladungsträger in dem Wechselwirkungsvolumen erzeugt wird, sodass die von den einfallenden Photonen vermittelte Energie ausreichend ist, damit die photostimulierten Ladungsträger die Potentialbarriere überwinden, und die photostimulierten Ladungsträger in dem Kollektorbereich für eine nachfolgende elektronische Erfassung gesammelt werden können.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Infrarotphotosensor gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden mit einem Silizium als Basismaterial, wobei die für CMOS-Geräte verwendeten Herstellungsverfahren verwendet werden.
  • Bezugszeichen
    • 1...Substrat, 2...Kontaktbereich, 3...Interaktionsvolumen, 4...Gate-Elektrode, 5...Kollektorbereich, 6...Verstärker, 7...einfallendes Photon, 8...Schalter, 50, 50a, 50b, 50c...Photosensor, 55...Halbleitersubstrat.

Claims (9)

  1. Photosensor zum Erfassen von Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 1 bis 1000 Mikrometern, umfassend: einen Hauptbereich eines Halbleitersubstrats; ein hochdotiertes Wechselwirkungsvolumen für die einfallende Strahlung in das Halbleitersubstrat; eine angrenzende Gate-Elektrode, die ein leitfähiges Material auf einer Isolationsschicht enthält, wobei das leitfähige Material eine ausgedehnte Struktur angrenzend an das Wechselwirkungsvolumen ist; und einen benachbarter hochdotierter Kollektorbereich, der als Ladungskollektor agiert, wobei der Kollektorbereich im Wesentlichen aus einer hochdotierten Halbleiterzone besteht und eine ausgedehnte Struktur angrenzend an die Gate-Elektrode ist, wobei das Wechselwirkungsvolumen elektrisch auf eine erste Spannung VB vorgespannt wird, der Kollektorbereich elektrisch auf eine zweite Spannung VS vorgespannt wird, die höher als die erste Spannung VB ist, falls photostimulierte Elektronen gesammelt werden sollen, und die kleiner als die erste Spannung VB ist, falls photostimulierte Löcher gesammelt werden sollen, die einfallenden Photonen ihre Energie durch freie Trägerabsorption auf bewegliche Ladungsträger in dem Wechselwirkungsvolumen vermitteln, wodurch photostimulierte Elektronen in dem Fall produziert werden, dass die freien Ladungsträger Elektronen sind, oder photostimulierte Löcher in dem Fall produziert werden, dass die freien Ladungsträger Löcher sind, die Gate-Elektrode auf eine dritte Spannung VG vorgespannt wird, sodass eine Potentialbarriere für die photostimulierten Ladungsträger in dem Wechselwirkungsbereich erzeugt wird, sodass die von den einfallenden Photonen vermittelte Energie ausreichend ist, damit die photostimulierten Ladungsträger die Potentialbarriere überwinden, und die photostimulierten Ladungsträger in dem Kollektorbereich für eine nachfolgende elektronische Erfassung gesammelt werden können.
  2. Photosensor nach Anspruch 1, wobei ein Bereich des Wechselwirkungsvolumens an wenigstens eine Seite an die Gate-Elektrode und den Kollektorbereich angrenzt.
  3. Photosensor nach Anspruch 1, wobei der Kollektorbereich von der Gate-Elektrode umgeben ist, die von einem Bereich des Wechselwirkungsvolumens umgeben ist.
  4. Photosensor nach Anspruch 3, wobei der Kollektorbereich eine rechteckige Struktur, eine kreisförmige Struktur oder eine Polygonstruktur aufweist.
  5. Photosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend: einen Verstärker oder eine Schaltung, die mit dem Kollektorbereich verbunden ist, wobei der Verstärker oder die Schaltung die zweite Spannung VS erfasst und eine Ausgangsspannung Vout produziert.
  6. Photosensor nach Anspruch 5, wobei der Verstärker oder die Schaltung einen Rücksetzschalter enthält, der den Kollektorbereich auf die zweite Spannung VS zurücksetzt.
  7. Photosensor nach Anspruch 6, wobei der Rücksetzschalter den Kollektorbereich periodisch zurücksetzt.
  8. Photosensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Verstärker oder die Schaltung einen Erfassungsknoten und einen Source-Folgetransistor enthält, wobei der Erfassungsknoten auf die zweite Spannung VS von dem Rücksetzschalter zurückgesetzt wird und mit einem Gate des Source-Folgetransistor verbunden ist.
  9. Photosensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Erfassungsknoten mit einer programmierbaren Stromquelle verbunden ist, mit der ein Offset-Strom von dem in dem Kollektorbereich akkumulierten Signalstrom subtrahiert werden kann, wobei diese programmierbare Stromquelle einen vergrößerten dynamischen Bereich des Photosensors bereitstellt, da ein wesentlicher Teil des Dunkelstroms von dem Signalstrom vor seiner elektronischen Erfassung subtrahiert werden kann.
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