DE112021006393T5 - Fotodiodenvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften - Google Patents

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Ingrid Jonak-Auer
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Ams Osram AG
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Abstract

Eine Fotodiodenvorrichtung (1) umfasst ein Halbleitersubstrat (2) mit einer Hauptfläche (3), wobei das Halbleitersubstrat (2) einen ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit hat. Die Hauptfläche (3) umfasst mindestens eine Einstrahlungsfläche (4) für elektromagnetische Strahlung. Auf der Hauptfläche (3) des Substrats (2) sind mehrere dotierte Wannen (5) eines zweiten Typs elektrischer Leitfähigkeit angeordnet, wobei der zweite Typ elektrischer Leitfähigkeit dem ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit entgegengesetzt ist. Die dotierten Wannen (5) und das Substrat (2) sind elektrisch kontaktierbar. Die dotierten Wannen (5) sind entlang eines Umfangs der mindestens einen Einstrahlungsfläche (4) angeordnet, so dass ein Zentralbereich (6) der Einstrahlungsfläche (4) frei von den dotierten Wannen (5) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Fotodiodenvorrichtung und ein optoelektronisches System.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es besteht ein zunehmender Bedarf an Fotodetektoren mit hoher Sensitivität und spektraler Empfindlichkeit, die daher geringe Leckströme erfordern. Vor allem bei Fotodetektoren, die nach Standard-CMOS-Technologien hergestellt werden, besteht das Arbeitsprinzip in der Umwandlung der optischen Intensität in einen Fotostrom oder eine Spannung durch Fotodioden. Elektromagnetische Strahlung tritt in das Fotodioden-Substrat ein und erzeugt Ladungsträger, die von entsprechenden Anschlüssen erfasst werden.
  • Üblicherweise werden Fotodioden durch einen pn-Übergang im Substrat gebildet, wobei ein elektrischer Anschluss, der mit der n-Typ Komponente verbunden ist, die Kathode bildet und ein elektrischer Anschluss, der mit der p-Typ Komponente verbunden ist, die Anode bildet. Der pn-Übergang hat von Natur aus eine Grenzschichtkapazität, weshalb in herkömmlichen Fotodioden Leckströme auftreten können.
  • Außerdem hängt die Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung von ihrer Wellenlänge ab. Licht kurzer Wellenlängen, insbesondere Licht im blauen Wellenlängenbereich, dringt nur wenige Nanometer in das Substrat ein. Die dort erzeugten Ladungsträger, aber auch Ladungsträger, die zur Oberfläche des Substrats diffundieren, können leicht rekombinieren und tragen daher nicht zum Fotostrom bei. Herkömmliche Fotodioden leiden daher unter einer geringen Empfindlichkeit, insbesondere im blauen Spektralbereich der Wellenlängen.
  • Die Fotodioden können mit einer CMOS-Schaltung durch Waferzu-Wafer-Bonden, durch Flip-Chip-Montage von Halbleiterchips oder durch monolithische Integration von CMOS-Bauelementen und Fotodioden in derselben Halbleitervorrichtung verbunden werden. Eine monolithische Integration ist nicht nur eine sehr kostengünstige Lösung, sondern bietet auch die beste Verbindung zwischen den Fotodioden und der CMOS-Schaltung. Allerdings können Halbleitermaterialien, die für CMOS-Schaltungen geeignet sind, bei der Integration von Fotodioden Schwierigkeiten in Bezug auf Leckage, Kapazität, Sensitivität, spektrale Empfindlichkeit, Ansprechzeit und Strahlungshärte verursachen.
  • Ziel ist es, ein verbessertes Konzept für eine Fotodiodenvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile überwindet. Ein weiteres Ziel ist es, ein elektronisches System bereitzustellen, das eine Fotodiodenvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften umfasst.
  • Dieses Ziel wird mit der Fotodiodenvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch erreicht. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In einer Ausführungsform umfasst eine Fotodiodenvorrichtung ein Halbleitersubstrat mit einer Hauptfläche, wobei das Halbleitersubstrat von einem ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit ist. Die Hauptfläche umfasst mindestens eine Einstrahlungsfläche für elektromagnetische Strahlung. An der Hauptfläche des Substrats ist eine Vielzahl von dotierten Wannen eines zweiten Typs elektrischer Leitfähigkeit angeordnet, wobei der zweite Typ elektrischer Leitfähigkeit dem ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit entgegengesetzt ist. Die dotierten Wannen und das Substrat sind elektrisch kontaktierbar. Die dotierten Wannen sind entlang eines Umfangs der mindestens einen Einstrahlungsfläche angeordnet, so dass ein Zentralbereich der Einstrahlungsfläche frei von den dotierten Wannen ist.
  • Das Halbleitersubstrat hat eine Haupterstreckungsebene. Die Hauptfläche des Halbleitersubstrats verläuft parallel zu der Haupterstreckungsebene. Das Halbleitersubstrat enthält zum Beispiel Silizium. Das Halbleitersubstrat kann eine Basisdotierung aufweisen, insbesondere eine Basisdotierung des ersten Typs der elektrischen Leitfähigkeit. Beispielsweise ist der erste Typ der elektrischen Leitfähigkeit der p-Typ und der zweite Typ der elektrischen Leitfähigkeit der n-Typ, oder umgekehrt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Halbleitersubstrat einen höher dotierten Halbleiterkörper und eine niedriger dotierte Bauelementeschicht, die epitaktisch auf dem Halbleiterkörper aufgewachsen ist. Die Hauptfläche kann von der Bauelementeschicht gebildet werden. Dies bedeutet, dass die Bauelementeschicht in einer transversalen Richtung über dem Halbleiterkörper angeordnet ist. Die transversale Richtung verläuft senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats.
  • Die mindestens eine Einstrahlungsfläche ist ein Bereich, in dem elektromagnetische Strahlung auftrifft. Die Einstrahlungsfläche kann einen einzigen Fotodetektor bilden. Die Fotodiodenvorrichtung kann jedoch auch mehr als eine Einstrahlungsfläche umfassen. Insbesondere ist eine Vielzahl von Einstrahlungsflächen auf der Hauptfläche angeordnet, so dass ein Array von Einstrahlungsflächen gebildet wird. In diesem Fall kann jede Einstrahlungsfläche ein Pixel der Fotodiodenvorrichtung bilden. Jede Einstrahlungsfläche umfasst einen Zentralbereich und einen Randbereich. Die Peripherie definiert den Umfang der Einstrahlungsfläche.
  • Die dotierten Wannen sind auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet. Insbesondere können die dotierten Wannen innerhalb der Bauelementeschicht gebildet werden. Jede dotierte Wanne hat eine Ausdehnung in lateralen Richtungen, wobei die lateralen Richtungen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufen. Jede dotierte Wanne hat auch eine Ausdehnung in den transversalen Richtungen. Die dotierten Wannen weisen eine Oberseite auf, die an der Hauptfläche des Substrats angeordnet ist. Das bedeutet, dass die Oberseite jeder dotierten Wanne auf der gleichen Ebene wie die Hauptfläche liegt und einen Teil der Hauptfläche bildet. Jede dotierte Wanne reicht von der Hauptfläche des Substrats bis zu einer bestimmten Tiefe in das Substrat hinein. Dies kann bedeuten, dass jede dotierte Wanne in die Bauelementeschicht des Halbleitersubstrats eingebettet ist.
  • Die dotierten Wannen sind im Randbereich der mindestens einen Einstrahlungsfläche angeordnet. Das bedeutet, dass in lateralen Richtungen jeder Zentralbereich der Einstrahlungsfläche von den dotierten Wannen umgeben ist. Die dotierten Wannen können gleichmäßig über den Umfang der Einstrahlungsfläche verteilt sein. Auf jeder lateralen Seite der Einstrahlungsfläche befindet sich mindestens eine dotierte Wanne. Der Zentralbereich der Einstrahlungsfläche ist frei von dotierten Wannen.
  • Die dotierten Wannen und das Substrat können elektrisch kontaktiert werden. Falls die dotierten Wannen vom n-Typ sind, bildet ein elektrischer Kontakt der dotierten Wannen einen Kathodenanschluss. Entsprechend bildet ein elektrischer Kontakt des Substrats, das in diesem Fall vom p-Typ ist, einen Anodenanschluss. Wie oben erwähnt, kann der Typ der elektrischen Leitfähigkeit der dotierten Wannen und des Substrats auch umgekehrt sein.
  • Auf der Oberseite jeder dotierten Wanne kann ein Kontaktbereich angeordnet sein. Der Kontaktbereich hat den gleichen Typ elektrischer Leitfähigkeit wie die dotierte Wanne, seine Dotierungskonzentration ist jedoch höher. Der Kontaktbereich ermöglicht die Bildung eines ohmschen Kontakts zu der jeweiligen dotierten Wanne. Entsprechend kann ein weiterer Kontaktbereich auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet sein. Der weitere Kontaktbereich hat den gleichen Typ elektrischer Leitfähigkeit wie das Substrat, aber seine Dotierungskonzentration ist höher. Der weitere Kontaktbereich ermöglicht die Bildung eines ohmschen Kontakts zum Substrat. Alternativ kann das Substrat auch von einer Rückseite des Substrats aus elektrisch kontaktiert werden.
  • Zumindest ein Teil der dotierten Wannen kann elektrisch parallel zueinander geschaltet sein. Die dotierten Wannen innerhalb einer Einfallfläche können über eine Leiterbahn elektrisch miteinander verbunden sein. Dies kann bedeuten, dass jede der dotierten Wannen mit der Leiterbahn elektrisch verbunden ist. Auf diese Weise bildet die Einfallfläche mit den dotierten Wannen einen einzelnen Fotodetektor oder ein einzelnes Pixel innerhalb eines Arrays von Pixeln des Fotodetektors.
  • Die Fotodiodenvorrichtung dient der Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in ein elektrisches Signal. Wenn Photonen mit ausreichender Energie auf die Einstrahlungsfläche der Fotodiodenvorrichtung treffen, werden Ladungsträger, d.h. Elektron-Loch-Paare, erzeugt. Die Ladungsträger driften in Richtung der jeweiligen elektrischen Anschlüsse und führen zu einem Fotostrom. Die Drift der Ladungsträger erfolgt durch Diffusion. Daher kann die Größe der Einstrahlungsfläche in lateralen Richtungen so gewählt werden, dass sie gleich oder kleiner als eine Diffusionslänge der Ladungsträger ist.
  • Die dotierten Wannen bilden einen pn-Übergang zum Substrat. Da die dotierten Wannen ausschließlich im Randbereich der Einstrahlungsfläche angeordnet sind, können die Grenzschichtkapazität und der Leckstrom der Fotodiode niedrig sein, da der Zentralbereich, der von den dotierten Wannen umgeben ist, frei von pn-Übergängen sein kann. Dies wiederum erhöht die spektrale Empfindlichkeit der Fotodiode. Außerdem wird die laterale Diffusion von Ladungsträgern aus der Einstrahlungsfläche durch die dotierten Wannen im Randbereich minimiert.
  • Die Fotodiode kann monolithisch in eine CMOS-integrierte Schaltung integriert werden. Die monolithische Integration bietet enorme Vorteile gegenüber einer diskreten Lösung, die aus einem diskreten Fotodioden-Array und einem diskreten ASIC besteht, nämlich Ausbeute, Kosten und Leistung.
  • In einigen Ausführungsformen hat die Einstrahlungsfläche eine rechteckige, insbesondere quadratische Form in der Draufsicht, so dass die dotierten Wannen einen Rahmen bilden, der den Zentralbereich der Einstrahlungsfläche umgibt. Die Draufsicht bezieht sich auf eine Ansicht der Fotodiodenvorrichtung von einer Seite, die der Hauptfläche des Substrats zugewandt ist. In lateralen Richtungen kann der Zentralbereich von einer diskreten Anzahl dotierter Wannen umgeben sein. Dies bedeutet, dass die dotierten Wannen voneinander getrennt sind. In einigen Ausführungsformen liegen jedoch zumindest einige der dotierten Wannen nebeneinander, so dass sie eine verschmolzene dotierte Wanne bilden. Da die Einstrahlungsfläche in der Draufsicht eine rechteckige Form hat, können weitere Einstrahlungsflächen daneben angeordnet werden, so dass ein Array gebildet wird.
  • In einigen Ausführungsformen hat jede Seite der Einstrahlungsfläche eine Länge, die zwischen 40 µm und 120 µm liegt. In weiteren Ausführungsformen liegt die Länge jeder Seite der Einstrahlungsfläche zwischen 60 µm und 100 µm.
  • Die elektrischen Anschlüsse, insbesondere die die dotierten Wannen kontaktierenden Kathodenanschlüsse, sind im Randbereich der Einstrahlungsfläche angeordnet. Die Seitenlängen der Einstrahlungsfläche sollten daher so gewählt werden, dass Ladungsträger zu den entsprechenden elektrischen Anschlüssen diffundieren können. Die Seitenlängen können einer Diffusionslänge der Ladungsträger entsprechen. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Großteil der erzeugten Ladungsträger zum Fotostrom beiträgt, bevor er durch Rekombinationsprozesse im Substrat oder an der Hauptfläche des Substrats verloren geht.
  • In einigen Ausführungsformen macht der Zentralbereich mindestens 40 % der Einstrahlungsfläche aus. In einigen weiteren Ausführungsformen macht der Zentralbereich mindestens 60 % oder alternativ mindestens 80 % der Einstrahlungsfläche aus. Da der Zentralbereich frei von dotierten Wannen ist, gibt es kaum pn-Übergänge innerhalb der Einstrahlungsfläche. Je größer der Zentralbereich ist, desto geringer ist die Grenzschichtkapazität innerhalb der Einstrahlungsfläche. Die Fotodiode weist daher reduzierte Leckströme auf, was wiederum die spektrale Empfindlichkeit erhöht.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst der Zentralbereich der Einstrahlungsfläche einen dotierten Oberflächenbereich des ersten Typs elektrischer Leitfähigkeit.
  • Der dotierte Oberflächenbereich ist auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet. Der dotierte Oberflächenbereich kann die gesamte Einstrahlungsfläche bedecken, die nicht von den dotierten Wannen bedeckt ist. Mit anderen Worten, der dotierte Oberflächenbereich kann auch im Randbereich der Einstrahlungsfläche und zwischen den dotierten Wannen angeordnet sein. Der dotierte Oberflächenbereich wird innerhalb der Bauelementeschicht gebildet und weist eine Dotierungskonzentration auf, die höher ist als die Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht. Die Dotierungskonzentration des dotierten Oberflächenbereichs kann jedoch niedriger sein als die Dotierungskonzentration einer Standard-p+-Implantation, die für Source-/Drain-Bereiche von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) verwendet wird.
  • In lateralen Richtungen kann der dotierte Oberflächenbereich an die dotierten Wannen angrenzen. Das bedeutet, dass der dotierte Oberflächenbereich in direktem Kontakt mit den dotierten Wannen an der Hauptoberfläche des Substrats stehen kann. In transversaler Richtung reicht der dotierte Oberflächenbereich weniger tief in das Substrat hinein als die dotierten Wannen. Wenn das Halbleitersubstrat vom p-Typ ist, ist auch der dotierte Oberflächenbereich vom p-Typ, während die dotierten Wannen vom n-Typ sind. Die dotierten Wannen können eine Dotierungskonzentration aufweisen, die für so genannte n-Wells in einem CMOS-Herstellungsverfahren typisch ist. Die Grenzschichtkapazität zwischen den dotierten Wannen und dem dotierten Bereich kann aufgrund der relativ niedrigen Dotierungskonzentrationen niedrig gehalten werden.
  • Die Fotodiode vermeidet die Verwendung eines Feldoxids oder einer flachen Grabenisolierung auf der Hauptfläche des Substrats durch den dotierten Oberflächenbereich. Bei herkömmlichen Vorrichtungen, bei denen ein Feldoxid verwendet wird, wird die Geschwindigkeit der Fotodiode durch den Fermi-Niveau-Pinning-Effekt unterhalb der Feldoxidbereiche beeinträchtigt. Dieser Effekt tritt vor allem bei p-Typ-Halbleitern auf, die typischerweise in CMOS-Standardprozessen verwendet werden. Durch die Verbiegung des Leitungs- bzw. Valenzbandes werden Ladungsträger unter dem Feldoxid akkumuliert, was zu einem langsamen Einschaltverhalten führt. Diese langsame Reaktion ist bei niedrigen Strompegeln besonders ausgeprägt. Das bedeutet, dass der Fotostrom nach einem Anregungspuls für mehrere zehn Millisekunden auf dem Niveau des Dunkelstroms bleibt, bis die Fotodiode schließlich den gewünschten Fotostrom erzeugt. Derselbe Mechanismus verschlechtert die vordere Flanke eines Fotostrompulses nach dem Einschalten der Beleuchtung, was zu einer verringerten Empfindlichkeit des Fotodetektors für mehrere Integrationsperioden einer Analog-Digital-Wandler (ADC)-Ausleseschaltung führt.
  • Durch die Anwendung des dotierten Oberflächenbereichs, bei dem es sich um einen sehr flachen, hochdotierten p-Typ-Implantationsbereich handeln kann, werden diese Probleme adressiert und das Ansprechverhalten der Fotodiode wird verbessert. Darüber hinaus kann der dotierte Oberflächenbereich für eine gute Strahlungstoleranz der Vorrichtung sorgen. So schützt der dotierte Oberflächenbereich die darunter liegenden Schichten vor Schäden durch Röntgenstrahlen und verhindert eine Verschlechterung der Fotodiode. Darüber hinaus werden Minoritätsträger aufgrund der dotierten Oberflächenregion von der Hauptfläche abgestoßen. Dadurch wird die spektrale Empfindlichkeit der Fotodiode erhöht und die Leckströme werden verringert. Der dotierte Oberflächenbereich kann außerdem dazu dienen, einen niederohmigen elektrischen Kontakt zum Substrat herzustellen.
  • Da die Dotierungskonzentration des dotierten Oberflächenbereichs niedriger sein kann als die Dotierungskonzentration einer Standard-p+-Implantation, die für Source-/Drain-Bereiche von MOSFETs verwendet wird, wird die durch p+-Dotierung induzierte Rekombination, insbesondere die Auger-Rekombination, verhindert. Auger-Rekombination ist umso wahrscheinlicher, je höher die Dotierungskonzentration ist. Dies wiederum führt zu einer hohen Empfindlichkeit, da die Ladungsträger zum Fotostrom beitragen können.
  • Bei einigen Ausführungsformen sind die dotierten Wannen und der dotierte Oberflächenbereich in lateralen Richtungen beabstandet. Dies kann bedeuten, dass der dotierte Oberflächenbereich nicht an die dotierten Wannen angrenzt. Im Gegensatz dazu sind die dotierten Wannen und der Oberflächenbereich durch die niedriger dotierte Bauelementeschicht getrennt. Beispielsweise liegt der Abstand zwischen den dotierten Wannen und dem dotierten Oberflächenbereich zwischen 0,1 µm und 3 µm. Die Grenzschichtkapazität zwischen den dotierten Wannen und dem dotierten Bereich kann aufgrund des Abstands zwischen diesen Bauelementen niedrig gehalten werden. Dadurch werden die Leckströme verringert und die spektrale Empfindlichkeit erhöht.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Fotodiodenvorrichtung außerdem eine Epi-Schicht des ersten Typs elektrischer Leitfähigkeit, die auf dem Zentralbereich der Einstrahlungsfläche angeordnet ist.
  • Die Epi-Schicht kann epitaktisch auf der Hauptfläche des Substrats aufgewachsen sein. Dies bedeutet, dass die Epi-Schicht nur wenige Kristalldefekte aufweist. Die Epi-Schicht kann die gesamte Einstrahlungsfläche bedecken, der nicht von den dotierten Wannen bedeckt ist. Das bedeutet, dass in transversaler Richtung ein Bereich oberhalb der dotierten Wannen frei von der Epi-Schicht ist. In lateralen Richtungen kann die Epi-Schicht einen Abstand zu den dotierten Wannen haben. Die Epi-Schicht kann aber auch in lateraler Richtung an die dotierten Wannen angrenzen. Dass die Epi-Schicht die dotierten Wannen leicht überlappt, ist ebenfalls möglich. Die Epi-Schicht kann in Bereichen auf der Hauptfläche angeordnet sein, die nicht von dem dotierten Oberflächenbereich bedeckt sind.
  • In transversaler Richtung kann die Epi-Schicht eine Dicke von weniger als 100 nm haben. Beispielsweise beträgt die Dicke der Epi-Schicht in transversaler Richtung weniger als 50 nm oder weniger als 10 nm.
  • Die Dotierungskonzentration der Epi-Schicht kann höher sein als die Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht des Substrats. Die Epi-Schicht kann in-situ dotiert werden, so dass eine durch Ionenimplantation verursachte Kristallschädigung vermieden wird. Im Vergleich zur Ionenimplantation führt dies zu geringeren Leckströmen und höherer Empfindlichkeit, insbesondere im blauen Spektralbereich.
  • Außerdem werden Minoritätsträger aufgrund der höheren Dotierungskonzentration der Epi-Schicht im Vergleich zur Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht von der Hauptoberfläche abgestoßen. Durch die höhere Dotierung liegt das Fermi-Niveau näher am Rand des Valenzbandes, was die Energiebarriere für die zur Hauptfläche diffundierenden Minoritätsladungsträger erhöht. Daher werden die fotoinduzierten Ladungsträger daran gehindert, an der Hauptfläche zu rekombinieren und können zum Fotostrom beitragen. Die spektrale Empfindlichkeit der Fotodiode wird dadurch verbessert.
  • Darüber hinaus kann die Dicke der Epi-Schicht sehr genau gesteuert werden, so dass die Prozessvariabilität verringert und die Zuverlässigkeit der Fotodiodenvorrichtung erhöht wird. Die Epi-Schicht kann auch dazu ausgebildet sein, dass sie die darunter liegenden Schichten schützt. Die Epi-Schicht kann für die Strahlungshärte der Fotodiodenvorrichtung vorgesehen werden. Zum Beispiel verhindert die Epi-Schicht die Verschlechterung der Fotodiodenvorrichtung, wenn sie Röntgenstrahlung ausgesetzt wird.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Fotodiodenvorrichtung ferner eine dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht, die auf oder über dem Zentralbereich der Einstrahlungsfläche angeordnet ist. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht kann zum Abstoßen von Ladungsträgern vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht zur Verwendung als Antireflexionsbeschichtung vorgesehen sein.
  • Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht kann die gesamte Einstrahlungsfläche bedecken. Das bedeutet, dass die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht auch die dotierten Wannen und den Randbereich der Einstrahlungsfläche bedecken kann. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht kann zumindest stellenweise auf dem dotierten Oberflächenbereich oder auf der Epi-Schicht angeordnet sein. In transversaler Richtung kann die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht eine Dicke von weniger als 100 nm oder weniger als 50nm aufweisen.
  • Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht kann Siliziumnitrid (SiN) aufweisen. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht umfasst beispielsweise stöchiometrisches SiN oder nicht-stöchiometrisches Siliziumnitrid (Si3+x N4-x). Mit diesen Materialien können positive Raumladungen in der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht gebildet werden. Alternativ kann die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht mindestens eines der Materialien Aluminiumoxid (Al2O3) oder Hafniumoxid (HfO2) enthalten. Mit diesen Materialien können negative Raumladungen in der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht gebildet werden.
  • In beiden Fällen wird ein elektrisches Feld an der Hauptfläche des Substrats aufgebaut. Durch das elektrische Feld werden fotoinduzierte Minoritätsladungsträger von der Grenzfläche abgestoßen, so dass Rekombinationsprozesse verhindert werden. Außerdem werden die Rekombinationsgeschwindigkeiten an der Oberfläche verringert. Daher wird der Fotostrom erhöht, was die spektrale Empfindlichkeit verbessert. So können die Minoritätsladungsträger zum Fotostrom beitragen. Die spektrale Empfindlichkeit der Fotodiode wird dadurch verbessert.
  • Bei der Oberflächenpassivierungsschicht des Dielektrikums kann es sich auch um eine antireflektierende Beschichtung handeln. Durch den Einsatz der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht kann die Reflexion der elektromagnetischen Strahlung an der Hauptfläche verringert werden. Außerdem kann die Dicke der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht sehr genau gesteuert werden, so dass die Prozessvariabilität verringert und die Zuverlässigkeit der Fotodiodenvorrichtung erhöht wird.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Fotodiodenvorrichtung ferner einen Oxidfilm, der auf dem Zentralbereich der Einstrahlungsfläche zwischen der Hauptfläche und der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht angeordnet ist. Bei dem Oxidfilm handelt es sich beispielsweise um einen dünnen nativen Oxidfilm. Alternativ wird der Oxidfilm auf der Einstrahlungsfläche abgeschieden, mit Ausnahme der Kontaktbereiche der dotierten Wannen und des Substrats. Der Oxidfilm soll die Bildung von Kobalt-Silizium, auch Silizid genannt, in diesen Bereichen verhindern. Silizid ist eine metallische Schicht, die im optischen Bereich, d. h. auf der Einstrahlungsfläche, unerwünscht ist, da sie Photonen reflektiert. Nach der Abscheidung kann die Dicke des Oxidfilms verringert werden. Der Oxidfilm sättigt Oberflächenzustände an der Hauptfläche des Substrats, die auch als baumelnde Bindungen bezeichnet werden. Die Kombination aus dem Oxidfilm und der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht auf der Oberfläche verbessert also die spektrale Empfindlichkeit.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht positive Raumladungen. Wie bereits erwähnt kann dies beispielsweise durch die Verwendung von Siliziumnitrid als Material für die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht erreicht werden. Positive Raumladungen innerhalb der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht bewirken eine Inversionsschicht an der Hauptfläche eines p-Typ-Substrats. Dies bedeutet, dass Minoritätsladungsträger, in diesem Fall Elektronen, von den positiven Raumladungen angezogen werden.
  • In einigen anderen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht negative Raumladungen. Wie bereits erwähnt kann dies beispielsweise durch die Verwendung von Al2O3 oder HfO2 als Material für die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht erreicht werden. Negative Raumladungen innerhalb der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht bewirken eine Akkumulationsschicht an der Hauptfläche eines p-Typ-Substrats. Dies bedeutet, dass Majoritätsladungsträger, in diesem Fall Löcher, von den negativen Raumladungen angezogen werden.
  • Sowohl die Akkumulationsschicht als auch die Inversionsschicht sind geeignet, die Hauptfläche des Substrats zu passivieren. Dies kann dazu führen, dass Ladungsträger an der Hauptfläche nicht rekombinieren können. Wenn beispielsweise eine Inversionsschicht durch einen Elektronenüberschuss an der Hauptoberfläche gebildet wird, finden fotoinduzierte Elektronen, die in Richtung Hauptoberfläche diffundieren, keine Löcher zum Rekombinieren, da sie durch den Elektronenüberschuss bereits gesättigt sind. Aufgrund des Elektronenüberschusses werden sie wieder von der Hauptfläche wegdiffundieren. Bildet sich eine Akkumulationsschicht durch einen Überschuss an Löchern an der Hauptoberfläche, so biegt sich das Leitungsband nach oben, so dass die Minoritätsladungsträger eine höhere Energiebarriere überwinden müssen. Dies wird manchmal als Randbedingung für die Elektronenabstoßung bezeichnet.
  • Mit anderen Worten: Das durch die Raumladungen in der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht verursachte elektrische Feld führt dazu, dass die Minoritätsladungsträger von der Hauptfläche bzw. der Grenzfläche abgestoßen werden. Dies führt zu einer hohen Empfindlichkeit, da die Ladungsträger zum Fotostrom beitragen können. Außerdem sind die Rekombinationsgeschwindigkeiten an der Grenzfläche zwischen der Hauptoberfläche des Substrats und der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht gering, da die Oberflächenzustände gesättigt sind. Dies wiederum führt zu geringen Leckströmen.
  • In einigen Ausführungsformen sind sowohl die Epi-Schicht als auch die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht von der Fotodiodenvorrichtung umfasst. Die Epi-Schicht und die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht können in transversaler Richtung übereinander angeordnet sein. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht kann auf der Epi-Schicht angeordnet sein.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Fotodiodenvorrichtung ferner ein Intermetall-Dielektrikum, das auf oder über der Hauptfläche des Substrats angeordnet ist. Das Intermetall-Dielektrikum kann aus Siliziumoxid bestehen. Stellenweise kann das Intermetall-Dielektrikum auf der Epi-Schicht und/oder der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht angeordnet sein.
  • Mindestens eine Leiterbahn ist in das Intermetall-Dielektrikum eingebettet und elektrisch mit den dotierten Wannen verbunden. Mindestens eine weitere Leiterbahn ist in das Intermetall-Dielektrikum eingebettet und mit dem Substrat elektrisch verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich die elektrischen Verbindungen im Randbereich der Einstrahlungsfläche. Das bedeutet, dass auch das Substrat außerhalb des Zentralbereichs der Einstrahlungsfläche kontaktiert wird.
  • Die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn können durch Metallschichten gebildet werden, die in das Intermetall-Dielektrikum eingebettet sind. Beispielsweise bestehen die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn aus Aluminium. Neben der Leiterbahn und der weiteren Leiterbahn können weitere Metallschichten innerhalb des Intermetall-Dielektrikums angeordnet sein. Die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn können auch elektrisch mit einer optionalen CMOS-Schaltung, die neben der Fotodiodenvorrichtung angeordnet ist, und/oder mit elektrischen Kontakten zur externen Kontaktierung verbunden sein. Die Leiterbahn kann mit Hilfe von Kontaktstopfen elektrisch mit den dotierten Wannen verbunden sein. Insbesondere sind die Kontaktstopfen jeweils auf den Kontaktbereichen der dotierten Wannen angeordnet. Entsprechend kann die weitere Leiterbahn mittels weiterer Kontaktstopfen mit dem Substrat elektrisch verbunden sein. Insbesondere sind die weiteren Kontaktstopfen jeweils auf weiteren Kontaktbereichen angeordnet. Der Kontaktstopfen und der weitere Kontaktstopfen können ein Metall, beispielsweise Wolfram und/oder Aluminium, aufweisen.
  • Ein Bereich im Intermetall-Dielektrikum, der den Zentralbereich der Einstrahlungsfläche bedeckt, kann frei von Leiterbahnen und/oder weiteren Leiterbahnen sein. Dies liegt daran, dass der Zentralbereich der Einstrahlungsfläche frei von dotierten Wannen ist, die elektrisch kontaktiert werden müssen. Die spektrale Empfindlichkeit der Fotodiodenvorrichtung wird erhöht, da die einfallende elektromagnetische Strahlung nicht durch die Leiterbahnen und die weiteren Leiterbahnen im Zentralbereich blockiert wird.
  • In einigen weiteren Ausführungsformen umfasst die Fotodiodenvorrichtung ferner eine in das Intermetall-Dielektrikum eingebettete Metallschicht. Die Metallschicht bedeckt die dotierten Wannen. Die Metallschicht kann die oberste Metallschicht innerhalb des Intermetall-Dielektrikums sein. In der Draufsicht kann die Metallschicht den Zentralbereich der Einstrahlungsfläche einrahmen. Mit anderen Worten: Der Bereich im Intermetall-Dielektrikum, der den Zentralbereich der Einstrahlungsfläche bedeckt, kann frei von der Metallschicht sein. Durch die Metallschicht wird der Zentralbereich der Einstrahlungsfläche scharf abgegrenzt, so dass einfallende elektromagnetische Strahlung nur den Zentralbereich erreichen kann. Die Metallschicht kann vorgesehen werden, um die darunter liegenden dotierten Wannen vor hochenergetischer Strahlung zu schützen.
  • In einigen weiteren Ausführungsformen umfasst die Fotodiodenvorrichtung außerdem ein Array von Einstrahlungsflächen, wie oben beschrieben. Dies bedeutet, dass jedes Merkmal, das im Zusammenhang mit der mindestens einen Einstrahlungsfläche erwähnt wird, auch für die Einstrahlungsflächen innerhalb des Arrays offengelegt ist. Insbesondere umfasst jede Einstrahlungsfläche einen jeweiligen Zentralbereich und einen jeweiligen Umfang, entlang dessen dotierte Wannen angeordnet sind. Darüber hinaus können auf oder über der Hauptfläche jeder Einstrahlungsfläche ein dotierter Oberflächenbereich, eine Epi-Schicht und/oder eine dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht angeordnet sein. Jede Einstrahlungsfläche bildet ein Pixel der Fotodiodenvorrichtung.
  • In dem Substrat ist mindestens ein Graben angeordnet, der jede Einstrahlungsfläche in lateralen Richtungen umgibt. Der Graben umgibt die jeweilige Einstrahlungsfläche mit der Vielzahl der dotierten Wannen, ohne diese Fläche zu unterteilen. Das bedeutet, dass der Graben die jeweilige Einstrahlungsfläche mit der Vielzahl der dotierten Wannen vollständig umgibt. Der dotierte Oberflächenbereich, die Epi-Schicht und/oder die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht können die gesamte vom Graben umgebenen Einstrahlungsfläche, abgesehen von den dotierten Wannen, bedecken. In transversale Richtung reicht der Graben weiter in das Substrat hinein als die dotierten Wannen. Insbesondere kann sich der Graben von der Hauptfläche bis ins Innere des Halbleiterkörpers erstrecken. Das heißt, der Graben erstreckt sich vollständig durch die Bauelementeschicht. Der Graben kann sich auch durch einen Teil des Halbleiterkörpers erstrecken. Das bedeutet, dass sich der Graben nicht vollständig durch den Halbleiterkörper erstreckt.
  • In einigen Ausführungsformen ist der Graben zumindest teilweise mit einem dotierten Halbleitermaterial oder einem elektrisch isolierenden Material gefüllt. Ein Dotierstoff, zum Beispiel ein p-Typ-Dotierstoff, kann in die Seitenwände des Grabens eingebracht werden. Anschließend kann der Graben mit einem elektrisch isolierenden Material, zum Beispiel SiO2, gefüllt werden. Alternativ wird der Graben vollständig mit einem dotierten Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps aufgefüllt. Der Graben oder eine Füllung des Grabens kann elektrisch mit einem Anschluss verbunden sein. Zum Beispiel ist der Graben oder eine Füllung des Grabens mit den weiteren Leiterbahnen elektrisch verbunden.
  • Alternativ zum Graben ist im Substrat mindestens ein Schutzring angeordnet, der jede Einstrahlungsfläche in lateralen Richtungen umgibt. Der Schutzring unterteilt oder durchschneidet die jeweiligen Einstrahlungsflächen nicht. Der Schutzring kann aus einem optionalen Randbereich und einem Kernbereich bestehen. Der Randbereich hat den gleichen Typ von Leitfähigkeit wie der dotierte Oberflächenbereich, und der Kernbereich hat den entgegengesetzten Typ von Leitfähigkeit. Der Randbereich und der Kernbereich des Schutzrings sind elektrisch kontaktierbar. Insbesondere liegt an dem Schutzring ein Massepotential (GND) an.
  • Der Graben bzw. der Schutzring sind vorgesehen, um ein Übersprechen zwischen benachbarten Einstrahlungsflächen zu verhindern. Dies hat den Vorteil, dass fotoinduzierte Ladungsträger daran gehindert werden, aus der jeweiligen Einstrahlungsfläche weg zu diffundieren. Ein reduziertes Übersprechen kann insbesondere erreicht werden, wenn der Graben weiter in das Substrat hineinreicht als die dotierten Wannen. Außerdem ermöglichen der Graben und der Schutzring eine höhere spektrale Empfindlichkeit und einen niedrigen Leckstrom der Fotodiode.
  • In einigen Ausführungsformen ist der Zentralbereich der mindestens einen Einstrahlungsfläche frei von einem pn-Übergang. Dadurch sind die Grenzschichtkapazität und der Leckstrom der Fotodiodenvorrichtung gering. Dies wiederum erhöht die spektrale Empfindlichkeit der Fotodiodenvorrichtung.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass die Fotodiodenvorrichtung ferner mindestens eine weitere dotierte Wanne des zweiten Typs elektrischer Leitfähigkeit an der Hauptoberfläche des Substrats umfasst, wobei die mindestens eine weitere dotierte Wanne im Zentralbereich der mindestens einen Einstrahlungsfläche angeordnet ist. Die mindestens eine weitere dotierte Wanne stellt einen zusätzlichen Kathodenanschluss bereit. Der zusätzliche Kathodenanschluss kann von den Ladungsträgern schneller erreicht werden als die Kathodenanschlüsse im Randbereich der Einstrahlungsfläche. Die Ladungsträger können daher von den elektrischen Anschlüssen effizienter erfasst werden.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Halbleitersubstrat ein bildfähiges Epi-Ausgangsmaterial. Das Epi-Ausgangsmaterial ist für eine hohe Lebensdauer der Ladungsträger vorgesehen.
  • Die mittlere Entfernung L (Diffusionslänge), die Ladungsträger in einem Halbleitermaterial aufgrund von Diffusion während ihrer Lebensdauer τ zurücklegen, wird bestimmt durch die Gleichung L 2 = D ⋅ τ ,
    Figure DE112021006393T5_0001
    wobei D der Diffusionskoeffizient ist. Die Lebensdauer τ wird durch Rekombinationsprozesse innerhalb des Halbleitermaterials bestimmt. Die Diffusionslänge wird für die qualitative Charakterisierung von Halbleiterkristallen verwendet. Bei einer bestimmten Temperatur hängt sie von der Anzahl der Rekombinationszentren und Haftstellen ab. Das bildfähige Epi-Ausgangsmaterial enthält weniger Kristalldefekte als ein herkömmliches Halbleitermaterial. Dadurch wird die Diffusionslänge vergrößert. Beispielsweise kann τ im Bereich von 0,1 ms liegen und L2 kann größer als 1 mm2 sein. Dies gewährleistet eine hohe Funktionalität der Fotodiode.
  • Ferner wird ein optoelektronisches System bereitgestellt, das die Fotodiodenvorrichtung umfasst. Dies bedeutet, dass alle Merkmale, die für die Fotodiodenvorrichtung offenbart werden, auch für das optoelektronische System offenbart werden und auf dieses anwendbar sind und umgekehrt.
  • Das optoelektronische System dient zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung. Insbesondere soll das Umgebungslicht erfasst werden. Das optoelektronische System kann eine hochempfindliche Fotodiodenvorrichtung erfordern, die daher einen geringen Leckstrom und eine hohe spektrale Empfindlichkeit aufweist.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen liegt die zu erfassende elektromagnetische Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich, insbesondere im nah-infraroten Wellenlängenbereich. Zusätzlich oder alternativ dazu liegt die zu erfassende elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich. Es ist auch möglich, dass die zu erfassende elektromagnetische Strahlung in einem Bereich liegt, der mindestens zwei der Wellenlängenbereiche Infrarot, Nahinfrarot oder Sichtbar überlappt.
  • In einigen Ausführungsformen sind die jeweiligen Einstrahlungsflächen des Arrays von Einstrahlungsflächen auf einen Teil des Wellenlängenspektrums abgestimmt. Beispielsweise kann zur Anpassung der Empfindlichkeit an einen bestimmten Teil des Spektrums der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ein optischer Wellenlängenfilter zwischen der Einstrahlungsfläche und einer Quelle der einfallenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet werden.
  • Dass Röntgenstrahlung erfasst werden soll, ist aber ebenfalls möglich. Bei dem optoelektronischen System handelt es sich zum Beispiel um ein Computertomographiesystem (CT). Die Röntgenstrahlen werden über einen Szintillator detektiert, der die Röntgenstrahlen in elektromagnetische Strahlung umwandelt, die von der Fotodiodenvorrichtung erfasst werden kann. Beispielsweise wandelt der Szintillator die Röntgenstrahlen in sichtbares Licht um, das dann mit Hilfe eines Arrays von Fotodioden erfasst wird. Der Szintillator kann über der Hauptfläche des Substrats oder über dem Intermetall-Dielektrikum angeordnet sein.
  • Das optoelektronische System kann ferner eine (CMOS-) Schaltung zum Auslesen elektrischer Signale aus der Fotodiodenvorrichtung umfassen. Zum Auslesen umfasst das elektronische System zum Beispiel Speicherkondensatoren, Speicherelemente, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) oder Ähnliches. Die Schaltung kann auf demselben Halbleitersubstrat wie die Fotodiodenvorrichtung integriert sein. Auf diese Weise kann eine monolithische Integration von CMOS-Bauelementen und Fotodioden auf demselben Halbleitersubstrat erreicht werden.
    Solche optoelektronischen Systeme können bequem in Smartphones, Tablet-Computern, Laptops, Kameramodulen oder CT-Anwendungen eingesetzt werden. Darüber hinaus kann das optoelektronische System im Wearable-Segment oder in der Messtechnik und Spektrometrie eingesetzt werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die folgende Beschreibung der Abbildungen kann Aspekte des verbesserten Konzepts weiter veranschaulichen und erläutern. Bauelemente und Teile der Sensoranordnung, die funktionell identisch sind oder eine identische Wirkung haben, sind durch identische Referenzsymbole gekennzeichnet. Identische oder praktisch identische Bauelemente und Teile werden möglicherweise nur in Bezug auf die Figuren beschrieben, in denen sie zuerst vorkommen. Ihre Beschreibung wird nicht notwendigerweise in aufeinanderfolgenden Abbildungen wiederholt.
    • zeigt eine Draufsicht auf eine Fotodiodenvorrichtung.
    • zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Fotodiodenvorrichtung.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiodenvorrichtung.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiodenvorrichtung.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiodenvorrichtung.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiodenvorrichtung.
    • zeigt einen weiteren Querschnitt der Ausführungsform gemäß .
    • zeigt ein Diagramm mit Dotierungskonzentrationsprofilen einer Fotodiodenvorrichtung.
    • zeigt eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Systems mit einer Fotodiodenvorrichtung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In 1 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Fotodiodenvorrichtung 1 dargestellt. Die Fotodiodenvorrichtung 1 umfasst ein Halbleitersubstrat 2 mit einer Hauptfläche 3. Das Substrat 2 umfasst zum Beispiel Silizium (Si). Das Substrat 2 weist eine Haupterstreckungsebene auf. Die Hauptfläche 3 erstreckt sich in lateralen Richtungen x, y, wobei die lateralen Richtungen x, y parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats 2 verlaufen.
  • Das Halbleitersubstrat 2 weist einen ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit auf. Der erste Typ elektrischer Leitfähigkeit ist einem zweiten Typ elektrischer Leitfähigkeit entgegengesetzt. Beispielsweise ist der erste Typ der elektrischen Leitfähigkeit der p-Typ. So kann das Substrat 2 mit Bor (B) dotiert sein.
  • Die Hauptfläche 3 umfasst mindestens eine Einstrahlungsfläche 4 für elektromagnetische Strahlung. Auf der Hauptfläche 3 des Substrats 2 ist eine Vielzahl von dotierten Wannen 5 des zweiten Typs elektrischer Leitfähigkeit angeordnet. Der zweite Typ der elektrischen Leitfähigkeit ist zum Beispiel der n-Typ. Die dotierten Wannen 5 sind entlang eines Umfangs der mindestens einen Einstrahlungsfläche 4 angeordnet, so dass ein Zentralbereich 6 der Einstrahlungsfläche 4 frei von den dotierten Wannen 5 ist.
  • Die dotierten Wannen 5 und das Substrat 2 sind elektrisch kontaktierbar. In 1 ist dargestellt, dass die dotierten Wannen 5 über Kontaktstopfen mit einer Leiterbahn 7 elektrisch verbunden sind. Die elektrische Verbindung mit dem Substrat 2 ist in 1 nicht dargestellt.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass einige Bauelemente, zum Beispiel die dotierten Wannen 5 und die Kontaktstopfen 8, der Fotodiodenvorrichtung in der Draufsicht gemäß 1 aus der Sicht des Betrachters tatsächlich unsichtbar sein können. Der Übersichtlichkeit halber sind sie in dieser Figur dennoch dargestellt.
  • In der Ausführungsform von 1 hat die Einstrahlungsfläche 4 in der Draufsicht eine rechteckige, insbesondere quadratische Form. Die dotierten Wannen 5 bilden einen Rahmen, der den Zentralbereich 6 der Einstrahlungsfläche 4 umgibt. Der Rahmen wird durch eine diskrete Anzahl von dotierten Wannen 5 gebildet. In diesem Beispiel umfasst jede Seite der Einstrahlungsfläche 4 fünf dotierte Wannen 5, wobei die dotierten Wannen 5 an den Ecken der Einstrahlungsfläche 4 für jede der benachbarten Seiten zählen. Daher umfasst die Fotodiodenvorrichtung 1 insgesamt sechzehn dotierte Wannen 5, die gleichmäßig über den Umfang der Einstrahlungsfläche 4 verteilt sind. Die Anzahl der dotierten Wannen 5 sowie ihre Verteilung sind jedoch nur beispielhaft.
  • Jede Seite der Einstrahlungsfläche 4 hat eine Länge L. Die Länge L kann durch eine Metallschicht definiert sein, die die Einstrahlungsfläche 4 in den lateralen Richtungen x, y umgibt. Die Metallschicht blockiert einfallende elektromagnetische Strahlung, so dass elektromagnetische Strahlung in die Fotodiodenvorrichtung 1 nur an der Einstrahlungsfläche 4 eintreten kann. Im Beispiel von 1 definiert die Leiterbahn 7 die Einstrahlungsfläche 4, da sie einen Abschnitt umfasst, der diesen Bereich in den lateralen Richtungen x, y umgibt. Zweige der Leiterbahn 7, die sich in Richtung des Zentralbereichs 6 der Einstrahlungsfläche 4 erstrecken, sind elektrisch mit den dotierten Wannen 5 verbunden. Die Länge L liegt zum Beispiel zwischen 40 µm und 120 µm. Alternativ kann die Länge L zwischen 60 µm und 100 µm liegen.
  • Der Zentralbereich 6 nimmt einen wesentlichen Teil der Einstrahlungsfläche 4 ein. Dies kann bedeuten, dass der Randbereich der Einstrahlungsfläche 4 einschließlich der dotierten Wannen 5 nur einen unbedeutenden Teil der Einstrahlungsfläche 4 einnimmt. Beispielsweise macht der Zentralbereich 6 mindestens 40 % der Einstrahlungsfläche aus. Alternativ kann er auch mindestens 60 % oder mindestens 80 % der Einstrahlungsfläche 4 ausmachen.
  • Je größer der Zentralbereich 6 ist, desto mehr elektromagnetische Strahlung kann von der Fotodiodenvorrichtung 1 erfasst werden. Da die dotierten Wannen 5 ausschließlich im Randbereich der Einstrahlungsfläche 4 angeordnet sind, kann der Zentralbereich zudem frei von einem pn-Übergang sein. Dies wiederum reduziert die Sperrschichtkapazität und damit auch den Leckstrom der Fotodiodenvorrichtung 1. Außerdem befinden sich über dem Zentralbereich 6 keine Metallschichten, da in diesem Bereich keine dotierte Wanne 5 kontaktiert werden muss. Daher wird die elektromagnetische Strahlung im Zentralbereich 6 nicht blockiert, so dass sie den Einstrahlungsfläche 4 weitgehend ungehindert erreichen kann.
  • zeigt außerdem zwei Querschnitte entlang der Linien A-A und B-B. Diese Querschnitte sind in den bis dargestellt, die im Folgenden näher beschrieben werden.
  • 2 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1. Die Fotodiodenvorrichtung 1 gemäß 2 umfasst ein Array 9 von Einstrahlungsflächen 4. Die Einstrahlungsflächen 4 können wie in 1 dargestellt ausgebildet sein, weshalb diesbezüglich keine weiteren Erläuterungen erfolgen. In diesem Beispiel umfasst das Array 9 vier Einstrahlungsflächen 4, die in einer 2x2-Matrix angeordnet sind. Die Anzahl der Einstrahlungsflächen 4 ist jedoch nur beispielhaft. Es können weitere Einstrahlungsflächen 4 nebeneinander angeordnet werden, so dass ein größeres Array 9 gebildet wird.
  • Mit dem Array 9 kann ein digitales Bild mit ausreichender Auflösung erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich kann jede Einstrahlungsfläche 4 innerhalb des Arrays 9 vorgesehen sein, um elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs zu erfassen. Beispielsweise können die Einstrahlungsflächen 4 nach einem Bayer-Muster angeordnet werden, so dass zwei Einstrahlungsflächen 4 vorgesehen sind, um Licht im grünen Wellenlängenbereich zu erfassen, eine Einstrahlungsfläche 4 vorgesehen ist, um Licht im roten Wellenlängenbereich zu erfassen, und eine Einstrahlungsfläche 4 vorgesehen ist, um Licht im blauen Wellenlängenbereich zu erfassen. Zur Einstellung der Empfindlichkeit für einen bestimmten Teil des Spektrums der einfallenden elektromagnetischen Strahlung kann beispielsweise ein optischer Wellenlängenfilter (nicht dargestellt) zwischen der jeweiligen Einstrahlungsfläche 4 und einer Quelle der einfallenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet werden.
  • Im Substrat 2 ist ein Graben 10 oder ein Schutzring 11 angeordnet, der jede Einstrahlungsfläche 4 in lateralen Richtungen x, y umgibt. Der Graben 10 bzw. der Schutzring 11 dienen dazu, ein Übersprechen zwischen benachbarten Einstrahlungsflächen 4 zu verhindern. Der Graben 10 bzw. der Schutzring 11 wird im Zusammenhang mit den folgenden Figuren näher beschrieben.
  • In 3 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1 dargestellt. Dieser Querschnitt kann mit dem in 1 gezeigten Querschnitt entlang der Linie B-B korrelieren. Es ist gezeigt, dass das Substrat 2 einen hochdotierten Halbleiterkörper 12 und eine niedriger dotierte Bauelementeschicht 13 umfasst. Die Bauelementeschicht 13 ist in einer transversalen Richtung z auf dem Halbleiterkörper 12 angeordnet, wobei die transversale Richtung z senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats 2 verläuft. Die Hauptfläche 3 wird also von der Bauelementeschicht 13 gebildet.
  • Die dotierten Wannen 5 sind auf der Hauptfläche 3 des Substrats 2 angeordnet. Eine erste dotierte Wanne 5 ist an einer ersten Seite der Einstrahlungsfläche 4 angeordnet und eine zweite dotierte Wanne 5 ist an einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Einstrahlungsfläche 4 angeordnet. Die dotierten Wannen 5 sind am Umfang der Einstrahlungsfläche 4 angeordnet, so dass der dazwischen liegende Zentralbereich 6 frei von den dotierten Wannen 5 ist.
  • Die dotierten Wannen 5 haben eine Ausdehnung in den lateralen Richtungen x, y. Eine laterale Ausdehnung 22, 23 der dotierten Wannen 5 liegt beispielsweise im Bereich von wenigen Mikrometern. Außerdem erstrecken sich die dotierten Wannen 5 in der transversale Richtung z. Dies bedeutet, dass die dotierten Wannen 5 von der Hauptfläche 3 in das Substrat 2 hineinreichen. Die laterale Ausdehnung 23 der dotierten Wannen 5 an der Hauptfläche 3 kann sich von ihrer lateralen Ausdehnung 22 in tieferen Bereichen des Substrats 2 unterscheiden. Wie in 3 gezeigt, können die dotierten Wannen 5 beispielsweise an der Hauptfläche 3 schmaler sein. Die dotierten Wannen 5 weisen eine Oberseite 14 auf. Die Oberseite 14 wird von der Hauptfläche 3 des Substrats 2 gebildet.
  • Die dotierten Wannen 5 umfassen ferner entsprechende Kontaktbereiche 15, die an der Oberseite 14 jeder dotierten Wanne 5 angeordnet sind. Der Kontaktbereich 15 hat den gleichen Typ elektrischer Leitfähigkeit wie die dotierte Wanne 5, weist jedoch eine höhere Dotierungskonzentration auf, so dass ein ohmscher Kontakt hergestellt werden kann. In lateraler Richtung x, y kann der Kontaktbereich 15 in der Mitte der dotierten Wanne 5 angeordnet sein.
  • Der Zentralbereich 6 der Einstrahlungsfläche 4 umfasst einen dotierten Oberflächenbereich 16 des ersten Typs elektrischer Leitfähigkeit. Der dotierte Oberflächenbereich 16 ist an der Hauptfläche 3 angeordnet. Der dotierte Oberflächenbereich 16 ist benachbart zu den dotierten Wannen 5. Dies bedeutet, dass der dotierte Oberflächenbereich 16 in direktem Kontakt mit den dotierten Wannen 5 steht. Der dotierte Oberflächenbereich 16 ist für den ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit dotiert. Der dotierte Oberflächenbereich 16 hat eine Dotierungskonzentration, die höher ist als die Dotierungskonzentration des Substrats 2 und insbesondere höher als die Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht 13. In der transversalen Richtung z ist der dotierte Oberflächenbereich 16 flacher als die dotierten Wannen 5.
  • Dies bedeutet, dass die dotierten Wannen 5 tiefer in das Substrat 2 hineinreichen.
  • zeigt einen weiteren Kontaktbereich 17 des Substrats 2. Die weiteren Kontaktbereiche 17 sind an der Hauptfläche 3 angeordnet. Die weiteren Kontaktbereiche 17 haben den gleichen Typ elektrischer Leitfähigkeit wie das Substrat 2, weisen aber eine höhere Dotierungskonzentration auf, so dass ein Ohm'scher Kontakt hergestellt werden kann. Außerdem können die weiteren Kontaktbereiche 17 eine höhere Dotierungskonzentration aufweisen als der dotierte Oberflächenbereich 16. In lateraler Richtung x, y können die Kontaktbereiche 17 im Randbereich der Einstrahlungsfläche angeordnet sein. Im Beispiel von 3 sind die weiteren Kontaktbereiche 17 weiter vom Zentralbereich 6 entfernt als die dotierten Wannen 5.
  • Des Weiteren zeigt 3 den Graben 10, der die Einstrahlungsfläche 4 in den lateralen Richtungen x, y umgibt. Der Graben 10 umfasst einen tiefen Grabenabschnitt 18. Außerdem kann er eine flache Grabenisolierung 19 an der Hauptfläche 3 aufweisen. Die flache Grabenisolierung 19 ist zwischen der Hauptfläche 3 und dem tiefen Grabenabschnitt 18 angeordnet. Die flache Grabenisolierung 19 kann auch weggelassen werden. Der tiefe Grabenabschnitt 18 kann sich von der Hauptfläche 3 oder von der flachen Grabenisolierung 19 in das Substrat 2 erstrecken. Der Graben 10 reicht von der Hauptfläche 3 weiter in das Substrat 2 hinein als die dotierten Wannen 5. Der Graben 10 durchdringt die Bauelementeschicht 13 vollständig. Der tiefe Grabenabschnitt 18 endet in dem Halbleiterkörper 12. Wie in dargestellt, verjüngt sich der tiefe Grabenabschnitt 18 in Richtung des Halbleiterkörpers 12.
  • Der Graben 10 kann ein isolierendes Material umfassen, zum Beispiel Siliziumoxid (SiO2). In die Seitenwände 20 des Grabens 10 kann jedoch ein Dotierstoff, zum Beispiel ein p-Typ-Dotierstoff, eingebracht werden. So können die Seitenwände 20 des Grabens 10 über den weiteren Kontaktbereich 17 mit einem elektrischen Anschluss verbunden werden. Es ist auch möglich, dass der Graben 10 vollständig mit einem dotierten Halbleitermaterial gefüllt ist. So kann der Graben 10 oder die Füllung des Grabens 10 mit einem Anschluss elektrisch verbunden werden.
  • Der Graben 10 verhindert ein Übersprechen zwischen benachbarten Einstrahlungsflächen 4, da fotoinduzierte Ladungsträger nicht wegdiffundieren können. Ist die Seitenwand 20 dotiert oder ist die Füllung des Grabens 10 ein dotiertes Halbleitermaterial, werden Minoritätsladungsträger aufgrund des Dotierungsgradienten vom Graben 10 abgestoßen. So können diese Ladungsträger zum Fotostrom beitragen.
  • Die in gezeigte Ausführungsform umfasst auch ein Intermetall-Dielektrikum 21, das auf oder über der Hauptfläche 3 angeordnet ist. Das Intermetall-Dielektrikum 21 kann zum Beispiel Siliziumoxid (SiO2) umfassen. Innerhalb des Intermetall-Dielektrikums 21 sind die Leiterbahn 7 und der Kontaktstopfen 8 angeordnet, um die dotierten Wannen 5 zu kontaktieren. Die Leiterbahn 7 ist in das Intermetall-Dielektrikum 21 eingebettet und über den Kontaktstopfen 8 mit den dotierten Wannen 5 elektrisch verbunden. Die Leiterbahn 7 und die Kontaktstopfen 8 können ein Metall aufweisen. Die Leiterbahn 7 weist zum Beispiel Aluminium (Al) auf. Die Kontaktstopfen 8 können aus Wolfram (W) und/oder Aluminium bestehen.
  • Ferner zeigt 3, dass eine weitere Leiterbahn 24 in das Intermetall-Dielektrikum 21 eingebettet ist und über weitere Kontaktstopfen 25 und die weiteren Kontaktbereiche 17 mit dem Substrat 2 elektrisch verbunden ist. Die weitere Leiterbahn 24 und die weiteren Kontaktstopfen 25 können ein Metall aufweisen. Die weitere Leiterbahn 24 umfasst zum Beispiel Aluminium. Die weiteren Kontaktstopfen 25 umfassen Wolfram und/oder Aluminium. Wie in 3 dargestellt, sind die Leiterbahn 7 und die weitere Leiterbahn 24 durch unterschiedliche Metallisierungsebenen gebildet. Ein Bereich im Intermetall-Dielektrikum 21, der den Zentralbereich 6 der Einstrahlungsfläche 4 bedeckt, ist frei von Leiterbahnen 7 und/oder weiteren Leiterbahnen 24. Die weitere Leiterbahn 24 ist so angeordnet, dass sie die dotierten Wannen 5 bedeckt.
  • Die in gezeigte Ausführungsform umfasst auch eine zusätzliche Schicht 26, 27, die auf dem Zentralbereich 6 der Einstrahlungsfläche 4 angeordnet ist. Bei der zusätzlichen Schicht handelt es sich zum Beispiel um eine Epi-Schicht 26. Die Epi-Schicht 26 kann epitaktisch auf dem Halbleitersubstrat 2 aufgewachsen sein. Daher kann die Epi-Schicht 26 auch Silizium aufweisen. Die Epi-Schicht 26 ist für den ersten Typ der elektrischen Leitfähigkeit dotiert. Ihre Dotierungskonzentration ist höher als die Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht 13, aber niedriger als die Dotierungskonzentration des weiteren Kontaktbereichs 17. Die Epi-Schicht 26 kann die gesamte Hauptfläche 3 bedecken, die nicht von den dotierten Wannen 5 und dem Kontaktbereich 17 bedeckt ist. Die Epi-Schicht 26 kann aber auch stellenweise auf dem weiteren Kontaktbereich 17 und/oder stellenweise auf der Oberseite 14 der dotierten Wannen 5 angeordnet sein.
  • Alternativ kann die zusätzliche Schicht auch ein Oxidfilm 27 sein. Der Oxidfilm 27 ist zum Beispiel ein dünner nativer Oxidfilm 27. Der Oxidfilm 27 kann auch auf der Einstrahlungsfläche 4 abgeschieden werden, außer auf Kontaktbereichen 15 der dotierten Wannen 5 und auf weiteren Kontaktbereichen 17 des Substrats 2. Mit dem Oxidfilm 27 soll die Bildung von Silizid vermieden werden.
  • Auf der Epi-Schicht 26 bzw. dem Oxidfilm 27 kann eine dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 28 angeordnet sein, wie in 3 gezeigt. Dies bedeutet, dass die Epi-Schicht 26 oder der Oxidfilm 27 zwischen der Hauptfläche 3 und der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht 28 angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 28 direkt auf der Hauptfläche 3 angeordnet ist, ohne dass die Epi-Schicht 26 oder der Oxidfilm 27 dazwischen liegt.
  • Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 28 bedeckt die gesamte Einstrahlungsfläche 4 einschließlich der Oberseite 14 der dotierten Wannen 5. Es ist ebenfalls möglich, dass die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 28 nur den Zentralbereich 6 der Einstrahlungsfläche 4 bedeckt. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 28 ist zur Abstoßung von Ladungsträgern und/oder zur Verwendung als antireflektierende Beschichtung vorgesehen.
  • Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 28 kann Siliziumnitrid (SiN) oder nicht-stöchiometrisches Siliziumnitrid (Si3+x N4-x) aufweisen. Bei diesen Materialien kann die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 28 positive Raumladungen aufweisen. Dadurch wird an der Hauptfläche 3 des Substrats 2 ein elektrisches Feld erzeugt, das Ladungsträger von der Grenzfläche abstößt.
  • Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 28 kann auch mindestens eines der Materialien Aluminiumoxid (Al2O3) und Hafniumoxid (HfO2) enthalten. Mit diesen Materialien können in der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht 28 negative Raumladungen gebildet werden, die ebenfalls zu einem elektrischen Feld an der Hauptfläche 3 führen.
  • In 4 ist eine ähnliche Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1 wie in 3 dargestellt. Hier ist ein Abstand 29 zwischen den dotierten Wannen 5 und dem dotierten Oberflächenbereich 16 vorhanden. Das bedeutet, dass die dotierten Wannen 5 an der Hauptfläche 3 durch die Bauelementeschicht 13 von dem dotierten Oberflächenbereich 16 beabstandet sind. Durch den von Null abweichenden Abstand 29 kann die Grenzschichtkapazität zwischen den dotierten Wannen 5 und dem dotierten Oberflächenbereich 16 verringert werden.
  • In der Ausführungsform von 5 gibt es keinen dotierten Oberflächenbereich 16. Dies bedeutet, dass der dotierte Oberflächenbereich 16 weggelassen werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Epi-Schicht 26 weggelassen werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Oxidfilm 27 weggelassen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 28 weggelassen werden.
  • zeigt eine weitere Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1, die der Ausführungsform von 3 ähnelt. Der einzige Unterschied zur Ausführungsform von 3 besteht darin, dass der Graben 10 durch den Schutzring 11 ersetzt ist. Der Schutzring 11 umfasst einen Randbereich 30 und einen Kernbereich 31, die an der Hauptfläche 3 angeordnet sind. Der Randbereich 30 umgibt den Kernbereich 31 in den lateralen Richtungen x, y. Der Randbereich 30 hat den gleichen Typ von Leitfähigkeit wie das Substrat 2 und dient als Kontaktbereich für das Substrat 2. Der Kernbereich 31 hat den entgegengesetzten Typ von Leitfähigkeit. Der Randbereich 30 und der Kernbereich 31 des Schutzrings 11 sind elektrisch kontaktierbar. Insbesondere wird der Schutzring 11 über die weitere Leiterbahn 24 und eine Vielzahl weiterer Kontaktstopfen 25 mit einem Massepotential (GND) beaufschlagt. Der Randbereich 30 und der Kernbereich 31 können durch eine weitere, an der Hauptfläche 3 angeordnete, flache Grabenisolierung 32 getrennt sein.
  • In 7 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1 dargestellt, der mit einem Querschnitt entlang der in 1 angedeuteten Linie A-A korrelieren kann. Er zeigt einen Schnitt durch den Randbereich der Einstrahlungsfläche 4.
  • Es ist dargestellt, dass der dotierte Oberflächenbereich 16, die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 28 und die Epi-Schicht 26 bzw. der Oxidfilm 27 zwischen den dotierten Wannen 5 am Rand der Einstrahlungsfläche 4 angeordnet sein können. Neben der die dotierten Wannen 5 elektrisch verbindenden Leiterbahn 7 und der das Substrat 2 elektrisch verbindenden weiteren Leiterbahn 24 (weiterer Kontaktbereich 17 ist nicht dargestellt) ist eine zusätzliche Metallschicht 33 dargestellt, die ebenfalls in das Intermetall-Dielektrikum 21 eingebettet ist. Die Metallschicht 33 ist über zusätzliche Kontaktstopfen 34 mit der weiteren Leiterbahn 24 elektrisch verbunden. Die Metallschicht 33 bedeckt die dotierten Wannen 5. Die Metallschicht 33 kann die oberste Metallschicht innerhalb des Intermetall-Dielektrikums 21 sein.
  • In 8 ist ein Diagramm dargestellt, das Dotierungskonzentrationsprofile einer Ausführungsform einer Fotodiodenvorrichtung 1 zeigt. Die Dotierungskonzentration c ist als Funktion der Tiefe d in verschiedenen Bereichen des ersten Typs der elektrischen Leitfähigkeit innerhalb des Substrats 2 dargestellt. Die Skalierung der beiden Achsen c, d ist willkürlich.
  • Die Dotierungskonzentration c umfasst ein erstes Plateau 35 in tieferen Bereichen des Substrats 2, die dem Halbleiterkörper 12 entsprechen. Mit abnehmender Tiefe d fällt die Dotierungskonzentration auf ein zweites Plateau 36, das der Dotierungskonzentration c der Bauelementeschicht 13 entspricht. In Richtung der Hauptfläche 3 steigt die Dotierungskonzentration an und erreicht an einigen Stellen der Hauptfläche 3 ein drittes Plateau 37. Das dritte Plateau 37 entspricht der Dotierungskonzentration c des dotierten Oberflächenbereichs 16. An anderen Stellen der Hauptfläche 3, nämlich an den weiteren Kontaktbereichen 17 des Substrats 2, erreicht die Dotierungskonzentration ein viertes Plateau 38, das höher ist als das erste Plateau 35, das zweite Plateau 36 und das dritte Plateau 37. Die Dotierungskonzentration c der weiteren Kontaktbereiche 17 ist typisch für Drain- und Sourcebereiche eines p-Typ MOSFET.
  • 9 zeigt eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Systems 39, das die Fotodiodenvorrichtung 1 umfasst. Das optoelektronische System 39 umfasst ferner eine Schaltung 40 zum Auslesen elektrischer Signale aus der Fotodiodenvorrichtung 1. Die Schaltung 40 kann zum Beispiel Speicherkondensatoren, Speicherelemente, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) oder Ähnliches enthalten. Die Schaltung 40 ist mit der Fotodiodenvorrichtung 1 über eine elektrische Verbindung 41 elektrisch verbunden. Das optoelektronische System 39 kann zum Beispiel ein Kamerasystem oder ein Sensor für elektromagnetische Strahlung, insbesondere für Umgebungslicht, sein. Das optoelektronische System 39 kann für Anwendungen im Automobilbereich, in der Industrie, in der Wissenschaft und in der Medizin eingesetzt werden. Darüber hinaus kann es auch in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden.
  • Die hier offengelegten Ausführungsformen der Fotodiodenvorrichtung wurden erörtert, um den Leser mit den neuen Aspekten der Idee vertraut zu machen. Obwohl bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, können viele Änderungen, Modifikationen, Äquivalente und Substitutionen der offengelegten Konzepte von einem Fachmann vorgenommen werden, ohne unnötig vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.
  • Es wird deutlich, dass die Offenbarung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen und auf das, was hier besonders gezeigt und beschrieben wurde, beschränkt ist. Vielmehr können Merkmale, die in einzelnen abhängigen Ansprüchen oder in der Beschreibung aufgeführt sind, vorteilhaft kombiniert werden. Darüber hinaus schließt der Umfang der Offenbarung jene Variationen und Modifikationen ein, die für den Fachmann offensichtlich sind und in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen.
  • Der Begriff „umfassend“, soweit er in den Ansprüchen oder in der Beschreibung verwendet wurde, schließt andere Elemente oder Schritte eines entsprechenden Merkmals oder Verfahrens nicht aus. Falls die Begriffe „ein“ oder „eine“ in Verbindung mit Merkmalen verwendet wurden, schließen sie eine Vielzahl solcher Merkmale nicht aus. Darüber hinaus sind alle Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Einschränkung des Anwendungsbereichs zu verstehen.
  • Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der U. S. Provisional Application 63/124,109, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • Bezugszeichen
    • 1
    Fotodiodenvorrichtung
    2
    Substrat
    3
    Hauptfläche
    4
    Einstrahlungsfläche
    5
    dotierte Wanne
    6
    Zentralbereich
    7
    Leiterbahn
    8
    Kontaktstopfen
    9
    Array von Einstrahlungsflächen
    10
    Graben
    11
    Schutzring
    12
    Halbleiterkörper
    13
    Bauelementeschicht
    14
    Oberseite der dotierten Wanne
    15
    Kontaktbereich
    16
    dotierter Oberflächenbereich
    17
    weiterer Kontaktbereich
    18
    tiefer Graben
    19
    flache Grabenisolierung
    20
    Seitenwand des Grabens
    21
    Intermetall-Dielektrikum
    22
    Breite der dotierten Wanne
    23
    Breite der dotierten Wanne an der Hauptfläche
    24
    weitere Leiterbahn
    25
    weiterer Kontaktstopfen
    26
    Epi-Schicht
    27
    Oxidfilm
    28
    dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht
    29
    Abstand
    30
    Randbereich des Schutzrings
    31
    Kernbereich des Schutzrings
    32
    weitere flache Grabenisolierung
    33
    Metallschicht
    34
    zusätzlicher Kontaktstopfen
    35
    erstes Plateau
    36
    zweites Plateau
    37
    drittes Plateau
    38
    viertes Plateau
    39
    optoelektronisches System
    40
    Schaltung
    41
    elektrische Verbindung
    d
    Tiefe
    L
    Länge
    x, y
    laterale Richtungen
    z
    transversale Richtung

Claims (16)

  1. Fotodiodenvorrichtung (1), umfassend: - ein Halbleitersubstrat (2) mit einer Hauptfläche (3), wobei das Halbleitersubstrat (2) einen ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit hat, wobei die Hauptfläche (3) mindestens eine Einstrahlungsfläche (4) für elektromagnetische Strahlung aufweist, - eine Vielzahl von dotierten Wannen (5) eines zweiten Typs elektrischer Leitfähigkeit an der Hauptfläche (3) des Substrats (2), wobei der zweite Typ elektrischer Leitfähigkeit dem ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit entgegengesetzt ist, wobei die dotierten Wannen (5) und das Substrat (2) elektrisch kontaktierbar sind, und wobei die dotierten Wannen (5) entlang eines Umfangs der mindestens einen Einstrahlungsfläche (4) angeordnet sind, so dass ein Zentralbereich (6) der Einstrahlungsfläche (4) frei von den dotierten Wannen (5) ist.
  2. Fotodiodenvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einstrahlungsfläche (4) eine rechteckige, insbesondere quadratische Form in der Draufsicht aufweist, so dass die dotierten Wannen (5) einen Rahmen bilden, der den Zentralbereich (6) der Einstrahlungsfläche (4) umgibt.
  3. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Seite der Einstrahlungsfläche (4) eine Länge (L) aufweist, wobei die Länge (L) zwischen 40 µm und 120 µm oder zwischen 60 µm und 100 µm liegt.
  4. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zentralbereich (6) mindestens 40%, mindestens 60% oder mindestens 80% der Einstrahlungsfläche (4) ausmacht.
  5. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zentralbereich (6) der Einstrahlungsfläche (4) einen dotierten Oberflächenbereich (16) des ersten Typs elektrischer Leitfähigkeit aufweist.
  6. Fotodiodenvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in lateralen Richtungen (x, y), die parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats (2) verlaufen, ein Abstand (29) zwischen den dotierten Wannen (5) und dem dotierten Oberflächenbereich (16) besteht.
  7. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Epi-Schicht (26) des ersten Typs elektrischer Leitfähigkeit, die auf dem Zentralbereich (6) der Einstrahlungsfläche (4) angeordnet ist.
  8. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht (28), die auf oder über dem Zentralbereich (6) der Einstrahlungsfläche (4) angeordnet ist, wobei die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht (28) zur Abstoßung von Ladungsträgern und/oder zur Verwendung als Antireflexionsbeschichtung vorgesehen ist.
  9. Fotodiodenvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend einen Oxidfilm (27), der auf dem Zentralbereich (6) der Einstrahlungsfläche (4) zwischen der Hauptfläche (3) und der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht (28) angeordnet ist.
  10. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 und 9, wobei die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht (28) positive Raumladungen oder negative Raumladungen aufweist.
  11. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend - ein Intermetall-Dielektrikum (21), das auf oder über der Hauptfläche (3) des Substrats (2) angeordnet ist, - mindestens eine in das Intermetall-Dielektrikum (21) eingebettete Leiterbahn (7), die mit den dotierten Wannen (5) elektrisch verbunden ist, und - mindestens eine weitere Leiterbahn (24), die in das Intermetall-Dielektrikum (21) eingebettet und mit dem Substrat (2) elektrisch verbunden ist, wobei ein Bereich im Intermetall-Dielektrikum (21), der den Zentralbereich (6) der Einstrahlungsfläche (4) bedeckt, frei von Leiterbahnen (7) und/oder weiteren Leiterbahnen (24) ist.
  12. Fotodiodenvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, die ferner eine in das Intermetall-Dielektrikum (21) eingebettete Metallschicht (33) umfasst, so dass die Metallschicht (33) die dotierten Wannen (5) bedeckt.
  13. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Array von Einstrahlungsflächen (4) wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben, wobei mindestens ein Graben (10) oder mindestens ein Schutzring (11) in dem Substrat (2) angeordnet ist, der jede Einstrahlungsfläche (4) in lateralen Richtungen (x, y) umgibt, wobei der Graben (10) oder der Schutzring (11) vorgesehen ist, um ein Übersprechen zwischen benachbarten Einstrahlungsflächen (4) zu verhindern.
  14. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zentralbereich (6) der Einstrahlungsfläche (4) frei von einem pn-Übergang ist.
  15. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat (2) ein bildfähiges Epi-Ausgangsmaterial mit hoher Ladungsträgerlebensdauer umfasst.
  16. Optoelektronisches System (39) umfassend die Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische System (39) zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zur Umgebungslicht-Erfassung, vorgesehen ist.
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