DE112021006404T5 - Fotodiodenvorrichtung mit hoher Empfindlichkeit - Google Patents

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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 aufweist. Mindestens eine dotierte Wanne (6) eines zweiten Typs elektrischer Leitfähigkeit ist auf der Hauptfläche (3) des Substrats (2) angeordnet, wobei der zweite Typ elektrischer Leitfähigkeit dem ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit entgegengesetzt ist. Die mindestens eine dotierte Wanne (6) und das Substrat (2) sind elektrisch kontaktierbar. Eine Deckschicht (10) ist auf der Hauptfläche (3) des Substrats (2) angeordnet. Die Deckschicht (10) ist mindestens eines von einer Epi-Schicht (11) des ersten Typs elektrischer Leitfähigkeit und einer dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht (15) mit einer Vielzahl von Raumladungen, oder eine Kombination davon.

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. 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 dringt in das Fotodioden-Substrat ein und erzeugt Ladungsträger, d.h. Elektron-Loch-Paare. Die Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung hängt jedoch 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 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.
  • Darüber hinaus können die Fotodioden mit einem CMOS-Schaltkreis durch Wafer-zu-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 den CMOS-Schaltkreisen. Allerdings können Halbleitermaterialien, die für CMOS-Schaltungen geeignet sind, bei der Integration von Fotodioden Schwierigkeiten in Bezug auf Leckage, Kapazität, Empfindlichkeit, spektrale Empfindlichkeit, Ansprechzeit und Strahlungshärte verursachen.
  • Ziel ist es, ein verbessertes Konzept für eine Fotodiodenvorrichtung mit hoher Empfindlichkeit und die die oben genannten Nachteile überwindet, bereitzustellen. Ein weiteres Ziel ist es, ein elektronisches System bereitzustellen, das eine Fotodiodenvorrichtung mit hoher Empfindlichkeit 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 einen ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit hat. Mindestens eine dotierte Wanne eines zweiten Typs elektrischer Leitfähigkeit ist auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet, wobei der zweite Typ elektrischer Leitfähigkeit dem ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit entgegengesetzt ist. Die dotierten Wannen und das Substrat sind elektrisch kontaktierbar. Die Fotodiodenvorrichtung umfasst ferner eine Deckschicht, die auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet ist. Die Deckschicht umfasst mindestens eines von einer Epi-Schicht des ersten Typs elektrischer Leitfähigkeit und einer dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht, die eine Vielzahl von Raumladungen enthält, oder einer Kombination davon.
  • Dies kann bedeuten, dass es sich bei der Deckschicht um eine Epi-Schicht des ersten Typs elektrischer Leitfähigkeit handelt. Alternativ kann die Deckschicht eine dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht sein, die eine Vielzahl von Raumladungen enthält. Alternativ ist die Deckschicht eine Kombination aus einer Epi-Schicht und einer dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht.
  • Das Halbleitersubstrat hat eine Haupterstreckungsebene. Die Hauptfläche des Halbleitersubstrats verläuft parallel zu der Haupterstreckungsebene. Das Halbleitersubstrat besteht z. B. aus 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 dotierte Wanne ist auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet. Die dotierte Wanne bildet einen pn-Übergang mit dem Substrat. Insbesondere kann die dotierte Wanne innerhalb der Bauelementeschicht ausgebildet sein. Die dotierte Wanne hat eine Ausdehnung in lateralen Richtungen, wobei die lateralen Richtungen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufen. Die dotierte Wanne hat auch eine Ausdehnung in den transversalen Richtungen. Die dotierte Wanne umfasst eine Oberseite, die an der Hauptfläche des Substrats angeordnet ist. Das bedeutet, dass die Oberseite der dotierten Wanne auf einer Ebene mit der Hauptfläche liegt und einen Teil der Hauptfläche bildet. Die dotierte Wanne reicht von der Hauptfläche des Substrats bis zu einer bestimmten Tiefe in das Substrat hinein. Dies kann bedeuten, dass die dotierte Wanne in die Bauelementeschicht des Halbleitersubstrats eingebettet ist. Die Fotodiode kann mehr als eine dotierte Wanne enthalten. In diesem Fall sind die dotierten Wannen an der Hauptfläche des Substrats voneinander beabstandet.
  • Die mindestens eine dotierte Wanne und das Substrat können elektrisch kontaktierbar sein. Falls die dotierten Wannen vom n-Typ sind, bildet ein elektrischer Kontakt, der die dotierte Wanne kontaktiert, einen Kathodenanschluss. Dementsprechend bildet ein elektrischer Kontakt, der mit dem Substrat, das in diesem Fall vom p-Typ ist, in Verbindung steht, einen Anodenanschluss. Wie oben erwähnt, kann der Typ der elektrischen Leitfähigkeit der dotierten Wannen und des Substrats umgekehrt sein. Falls mehr als eine dotierte Wanne vorhanden ist, können die dotierten Wannen elektrisch parallel zueinander geschaltet werden. Zum Beispiel sind zumindest einige der dotierten Wannen elektrisch parallel zueinander geschaltet.
  • An der Oberseite der 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 Ohm'schen Kontakts zu der jeweiligen dotierten Wanne.
  • Dementsprechend 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 Ohm'schen Kontakts zum Substrat. Alternativ kann das Substrat auch von einer Rückseite des Substrats aus elektrisch kontaktiert werden.
  • Die Deckschicht ist zumindest stellenweise auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet. Falls die Deckschicht eine Epi-Schicht ist, kann die Epi-Schicht epitaktisch auf der Hauptfläche des Substrats aufgewachsen werden. Die Epi-Schicht kann die gesamte Hauptfläche bedecken, die nicht von der mindestens einen dotierten Wanne bedeckt ist. Dies bedeutet, dass in transversaler Richtung ein Bereich oberhalb der mindestens einen dotierten Wanne frei von der Epi-Schicht ist. In lateraler Richtung kann die Epi-Schicht einen Abstand zu der mindestens einen dotierten Wanne haben. Die Epi-Schicht kann aber auch in lateraler Richtung an die mindestens eine dotierte Wanne angrenzen. Dass die Epi-Schicht die mindestens eine dotierte Wanne leicht überlappt, ist ebenfalls möglich.
  • Handelt es sich bei der Deckschicht um eine dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht, kann die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht die gesamte Hauptfläche einschließlich der mindestens einen dotierten Wanne bedecken. Es ist jedoch auch möglich, dass die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht die dotierte Wanne nicht bedeckt. In diesem Fall ist ein Bereich oberhalb der mindestens einen dotierten Senke frei von der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht kann in lateralen Richtungen von der mindestens einen dotierten Wanne beabstandet sein. Zwischen der Hauptfläche und der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht kann ein dünner nativer Oxidfilm angeordnet sein.
  • Es ist ferner möglich, dass die Deckschicht sowohl die Epi-Schicht als auch die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht umfasst. Dies bedeutet, dass die Deckschicht zumindest stellenweise außerhalb der dotierten Wanne auf der Hauptfläche angeordnet sein kann. Die Epi-Schicht und die dielektrische Passivierungsschicht können in transversaler Richtung übereinander angeordnet sein. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht kann auf der Epi-Schicht angeordnet sein. Die oben beschriebenen Anordnungen, insbesondere in Bezug auf die dotierte Wanne, gelten auch für diese spezielle Ausgestaltung. So kann beispielsweise die darunter liegende Epi-Schicht von der dotierten Wanne beabstandet sein, während die darüber liegende dielektrische Oberflächenpassivierung die dotierte Wanne bedeckt. Das bedeutet, dass die Deckschicht stellenweise als Stapel sowohl aus der Epi-Schicht als auch aus der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht gebildet werden kann, während an anderen Stellen die Deckschicht durch nur eine der beiden Schichten gebildet werden kann.
  • Die Fotodiodenvorrichtung dient der Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in ein elektrisches Signal. Wenn Photonen mit ausreichender Energie auf die Hauptfläche der Fotodiodenvorrichtung treffen, werden Ladungsträger, d. h. Elektron-Loch-Paare, erzeugt. Die Ladungsträger driften in Richtung der jeweiligen elektrischen Anschlüsse. Dies kann zu einem Fotostrom führen. 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.
  • Die Epi-Schicht und/oder die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht auf der Oberfläche führen aus folgenden Gründen zu einer erhöhten spektralen Empfindlichkeit der Fotodiodenvorrichtung:
    • Die Dotierungskonzentration der Epi-Schicht kann höher sein als die Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht des Substrats. Aufgrund des Dotierungsgradienten werden fotoinduzierte Minoritätsladungsträger von der Grenzfläche abgestoßen. 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.
  • Die von der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht eingeschlossenen Raumladungen führen zu einem elektrischen Feld an der Hauptfläche des Substrats. Aufgrund des elektrischen Feldes werden fotoinduzierte Minoritätsladungsträger von der Grenzfläche abgestoßen, so dass Rekombinationsprozesse verhindert werden. Außerdem werden die Rekombinationsgeschwindigkeiten an der Oberfläche durch die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht verringert. So können die Minoritätsladungsträger zum Fotostrom beitragen. Die spektrale Empfindlichkeit der Fotodiode wird dadurch verbessert. Darüber hinaus kann die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht zusätzlich als Antireflexionsschicht (ARC) verwendet werden, so dass die Reflexion einfallender elektromagnetischer Strahlung vermieden wird.
  • Außerdem kann die Epi-Schicht so gestaltet 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 eine Verschlechterung der Fotodiodenvorrichtung, wenn sie Röntgenstrahlung ausgesetzt wird.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat einen Halbleiterkörper und eine auf dem Halbleiterkörper angeordnete Bauelementeschicht, so dass die Hauptfläche durch eine Oberfläche der Bauelementeschicht gebildet wird. Wie bereits erwähnt, kann der Halbleiterkörper eine höhere Dotierungskonzentration aufweisen als die Bauelementeschicht. Die Bauelementeschicht ist epitaktisch auf dem Halbleiterkörper aufgewachsen. Die hohe Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers sorgt für einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand des Substrats. Andererseits kann die Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers zu hoch sein, um elektronische Bauelemente, wie z. B. eine optionale integrierte Schaltung, auf dessen Oberfläche zu integrieren. Daher wird die Bauelementeschicht auf dem Halbleiterkörper angeordnet. Die Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht kann so gewählt werden, dass sie für die Integration der Fotodiode und optionaler Schaltungen auf der Hauptfläche geeignet ist.
  • In einigen Ausführungsformen, in denen die Deckschicht die Epi-Schicht umfasst, ist die Epi-Schicht in-situ für den ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit dotiert, so dass sie eine Dotierungskonzentration aufweist, die höher ist als die Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht.
  • Wie bereits erwähnt, wird die Epi-Schicht epitaktisch auf der Hauptfläche des Substrats aufgewachsen. Während der Herstellung, d. h. während des Epitaxieprozesses, wird das Substrat einem Dotierstoff, z. B. Bor, ausgesetzt. Auf diese Weise wird der Dotierstoff in das Kristallgitter der Epi-Schicht eingebaut. Da die Epi-Schicht in-situ, aber nicht durch Ionenimplantation dotiert wird, ist die Kristallschädigung an der Hauptfläche des Halbleitersubstrats gering, und durch Ionenimplantation verursachte End-of-Range-Defekte werden vermieden. Im Vergleich zur Ionenimplantation führt dies zu geringeren Leckströmen und höherer Empfindlichkeit, insbesondere im blauen Spektralbereich.
  • Die Dotierungskonzentration der Epi-Schicht ist höher als die Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht. Aufgrund des Dotierungsgradienten werden fotoinduzierte Minoritätsladungsträger von der Grenzfläche 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.
  • Die in-situ dotierte Epi-Schicht kann eine niedrigere Dotierungskonzentration aufweisen als die Dotierungskonzentration eines typischen dotierten Oberflächenbereichs, der durch Ionenimplantation erzeugt wird. Außerdem kann die Tiefe der Grenzschicht flacher sein. Diese Faktoren führen zu einer erhöhten Rekombinationslebensdauer der Ladungsträger. Insbesondere die Auger-Rekombination wird reduziert, da die Wahrscheinlichkeit der Auger-Rekombination umso größer ist, je höher die Dotierung ist. Dies wiederum führt zu einer hohen Empfindlichkeit, da die Ladungsträger zum Fotostrom beitragen können.
  • In einigen Ausführungsformen weist die Epi-Schicht eine Dicke von höchstens 100 nm auf. In einigen anderen Ausführungsformen hat die Epi-Schicht eine Dicke von höchstens 50 nm. Alternativ dazu beträgt die Dicke der Epi-Schicht höchstens 10 nm. Die Dicke der Epi-Schicht kann so dünn wie technisch möglich sein. Durch die geringe Dicke kann die elektromagnetische Strahlung, insbesondere im blauen Spektralbereich, tiefer in das Substrat eindringen, so dass Ladungsträger in tieferen Bereichen des Substrats erzeugt werden. Da die Epi-Schicht epitaktisch aufgewachsen wird, kann ihre Dicke sehr genau kontrolliert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Prozessvariabilität geringer und die Zuverlässigkeit der Fotodiode höher ist.
  • In einigen Ausführungsformen, in denen die Deckschicht die dielektrische Oberflächenpassivierung umfasst, enthält die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht positive Raumladungen. Alternativ dazu enthält die dielektrische Passivierungsschicht negative Raumladungen.
  • Durch die Raumladungen wird an der Hauptfläche des Substrats ein elektrisches Feld aufgebaut. Aufgrund der Raumladungen bildet sich an der Hauptfläche des Substrats eine Inversionsschicht oder eine Akkumulationsschicht. Die Akkumulationsschicht bzw. die Inversionsschicht bildet sich an der Grenzfläche zur dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht aus.
  • Ob auf der Hauptfläche des Substrats eine Akkumulationsschicht oder eine Inversionsschicht gebildet wird, hängt von der Art der elektrischen Leitfähigkeit des Substrats ab. Wenn das Substrat vom p-Typ ist und die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht negative Raumladungen enthält, wird eine Akkumulationsschicht gebildet. Die Majoritätsladungsträger, in diesem Fall Löcher, werden von den negativen Raumladungen angezogen, so dass sie sich an der Hauptfläche ansammeln. Ist das Substrat vom n-Typ, so sind Löcher Minoritätsladungsträger, so dass sich an der Hauptfläche eine Inversionsschicht bildet.
  • Wenn das Substrat vom p-Typ ist und die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht positive Raumladungen enthält, bildet sich eine Inversionsschicht. Minoritätsladungsträger, in diesem Fall Elektronen, werden von den positiven Raumladungen angezogen, so dass sich an der Hauptfläche eine Inversionsschicht bildet. Ist das Substrat vom n-Typ, so sind Elektronen Majoritätsladungsträger und es bildet sich eine Akkumulationsschicht an der Hauptfläche.
  • 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 Hauptfläche gebildet wird, finden fotoinduzierte Elektronen, die in Richtung Hauptfläche 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 Hauptfläche, so biegt sich das Leitungsband nach oben, so dass die Minoritätsladungsträger eine höhere Energiebarriere überwinden müssen. Dies wird manchmal als Grenzbedingung für die Elektronenabstoßung bezeichnet.
  • Mit anderen Worten: Das durch die Raumladungen in der dielektrischen Passivierungsschicht 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 Hauptfläche des Substrats und der dielektrischen Passivierungsschicht gering, da die Oberflächenzustände gesättigt sind. Dies wiederum führt zu geringen Leckströmen.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht Siliziumnitrid (SiN). Beispielsweise umfasst die dielektrische Passivierungsschicht mindestens eines von SiN oder nicht-stöchiometrischem Si3+x N4-x. Mit diesen Materialien können positive Raumladungen in der dielektrischen Passivierungsschicht gebildet werden. In einigen anderen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Hafniumoxid (HfO2) . Mit diesen Materialien können negative Raumladungen in der dielektrischen Passivierungsschicht gebildet werden. In beiden Fällen wird ein elektrisches Feld an der Hauptfläche des Substrats aufgebaut.
  • In transversaler Richtung kann die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht eine Dicke von weniger als 100 nm haben. Die Dicke der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht beträgt beispielsweise weniger als 50 nm. 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 ist die Epi-Schicht so angeordnet, dass in der transversalen Richtung ein Bereich oberhalb der mindestens einen dotierten Wanne frei von der Epi-Schicht ist. Die Epi-Schicht kann die gesamte Hauptfläche bedecken, die nicht von der mindestens einen dotierten Wanne bedeckt ist. In lateralen Richtungen kann die Epi-Schicht einen Abstand zu der mindestens einen dotierten Wanne haben oder die Epi-Schicht kann an die mindestens eine dotierte Wanne angrenzen. Es ist ebenfalls möglich, dass die Epi-Schicht die mindestens eine dotierte Wanne leicht überlappt.
  • Die Epi-Schicht und die dotierte Wanne sind für entgegengesetzte Typen elektrischer Leitfähigkeit dotiert. Durch die oben beschriebene Anordnung wird ein pn-Übergang an der Oberseite der dotierten Wanne vermieden. Da der Bereich oberhalb der dotierten Wanne frei von der Epi-Schicht ist, kann die dotierte Wanne außerdem über den Kontaktbereich kontaktierbar sein.
  • In einigen Ausführungsformen dient die Deckschicht der Abstoßung von Ladungsträgern und/oder der Verwendung als antireflektierende Beschichtung. Wie oben beschrieben, wird die Abstoßung von Ladungsträgern entweder durch die höhere Dotierung der Epi-Schicht im Vergleich zur Dotierung der Bauelementeschicht oder durch die Raumladungen innerhalb der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht erreicht. Fotoinduzierte Ladungsträger werden daher daran gehindert, an der Hauptfläche zu rekombinieren und können zum Fotostrom beitragen. Dadurch wird die spektrale Empfindlichkeit der Fotodiode verbessert.
  • Besteht die Deckschicht aus einer dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht, kann sie auch als ARC fungieren. Daher kann mehr elektromagnetische Strahlung das Substrat erreichen, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Die Fotodiode ist sensitiver für elektromagnetische Strahlung, was ihre Empfindlichkeit erhöht.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Fotodiodenvorrichtung ferner mindestens einen dotierten Oberflächenbereich des ersten Typs elektrischer Leitfähigkeit auf der Hauptfläche des Substrats. Die mindestens eine dotierte Wanne ist frei von dem dotierten Oberflächenbereich.
  • Der dotierte Oberflächenbereich kann die gesamte Hauptfläche bedecken, die nicht von den dotierten Wannen bedeckt ist. Der dotierte Oberflächenbereich kann aber auch nur stellenweise die Hauptfläche bedecken. Insbesondere wenn eine Epi-Schicht vorhanden ist, kann der dotierte Oberflächenbereich in Bereichen auf der Hauptfläche angeordnet sein, die nicht von der Epi-Schicht bedeckt sind. In lateralen Richtungen können sich die Epi-Schicht und der dotierte Oberflächenbereich aber auch überlappen.
  • Der dotierte Oberflächenbereich wird innerhalb der Bauelementeschicht gebildet und weist eine Dotierungskonzentration auf, die höher ist als die Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht und/oder der Epi-Schicht. 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 typisch für so genannte n-Wells in einem CMOS-Fertigungsprozess ist. Die Dotierungskonzentration des dotierten Bereichs kann jedoch typisch für Source- oder Drain-Bereiche eines p-Typ-MOSFETs sein oder niedriger als in diesen Bereichen. Der dotierte Oberflächenbereich kann durch Ionenimplantation hergestellt werden.
  • In einigen Ausführungsformen vermeidet die Fotodiode die Verwendung eines Feldoxids auf der Hauptfläche des Substrats durch den dotierten Oberflächenbereich. Bei herkömmlichen Bauelementen, 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 unterhalb des Feldoxids akkumuliert, was zu einem langsamen Einschaltverhalten führt. Diese langsame Reaktion ist bei niedrigen Stromstärken 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 Kante eines Fotostromimpulses 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. Außerdem werden Minoritätsladungsträger 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.
  • In einigen Ausführungsformen ist zwischen der mindestens einen dotierten Wanne und dem mindestens einen dotierten Oberflächenbereich ein Abstand in lateralen Richtungen vorhanden.
  • Dies kann bedeuten, dass der dotierte Oberflächenbereich nicht an die dotierte Wanne angrenzt. Im Gegensatz dazu sind die dotierte Wanne und der Oberflächenbereich durch die untere dotierte Bauelementeschicht getrennt. Der Abstand zwischen der dotierten Wanne und dem dotierten Oberflächenbereich liegt beispielsweise zwischen 0,1 um und 3 um. Die Übergangskapazität zwischen der dotierten Wanne und dem dotierten Oberflächenbereich kann aufgrund des Abstands zwischen diesen Bauelementen niedrig gehalten werden. Daher sind die Leckströme geringer.
  • Der dotierte Oberflächenbereich kann jedoch auch an die dotierte Wanne angrenzen. Das bedeutet, dass der dotierte Oberflächenbereich in direktem Kontakt mit der dotierten Wanne an der Hauptfläche des Substrats stehen kann. In diesem Fall ist der Abstand gleich Null. Die dotierte Wanne bildet einen pn-Übergang mit dem Substrat, insbesondere mit der Bauelementeschicht. Auf diese Weise wird ein Raumladungsgebiet gebildet. Da der dotierte Oberflächenbereich in direktem Kontakt mit der dotierten Wanne steht, wird verhindert, dass der Raumladungsbereich die Hauptfläche des Substrats erreicht. Dies wiederum soll unerwünschte elektrische Effekte an der Hauptfläche verhindern, so dass die elektrischen Eigenschaften der Fotodiode optimiert werden.
  • In einigen Ausführungsformen bildet der mindestens eine dotierte Oberflächenbereich einen Ring oder einen Rahmen, der die mindestens eine dotierte Wanne in lateralen Richtungen umgibt. Dies kann bedeuten, dass der dotierte Oberflächenbereich an der Hauptfläche in einem an die dotierte Wanne angrenzenden Bereich angeordnet ist. Beispielsweise ist der dotierte Oberflächenbereich in dem an die dotierte Wanne angrenzenden Bereich angeordnet, in dem sich sonst ein Raumladungsbereich bilden würde. Die Breite des Rings oder des Rahmens beträgt beispielsweise mindestens 0,5 um und höchstens 1,5 um. Die Breite bezieht sich auf die laterale Ausdehnung des dotierten Oberflächenbereichs. Vorteilhafterweise kann das Substrat über den dotierten Oberflächenbereich kontaktierbar sein. Das Substrat wird also in der Nähe der dotierten Wanne kontaktiert. Dadurch wird sichergestellt, dass das Substrat in der Nähe der dotierten Wanne ein festgelegtes elektrisches Potenzial, z. B. ein Massepotenzial (GND), aufweist. Das Substrat kann jedoch auch in einem Abstand von der dotierten Wanne elektrisch kontaktierbar sein. So kann das Substrat beispielsweise an einem Rand der Fotodiode elektrisch kontaktiert sein.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Fotodiodenvorrichtung außerdem ein Intermetall-Dielektrikum, das auf oder über der Hauptfläche des Substrats angeordnet ist. Das Intermetall-Dielektrikum kann Siliziumoxid aufweisen. Stellenweise kann das Intermetall-Dielektrikum auf der Epi-Schicht und/oder der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht angeordnet sein.
  • Eine Leiterbahn ist in das Intermetall-Dielektrikum eingebettet und elektrisch mit der dotierten Wanne verbunden. Eine weitere Leiterbahn ist in das Intermetall-Dielektrikum eingebettet und mit dem Substrat elektrisch verbunden. Die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn können durch Metallschichten gebildet werden, die in das Intermetall-Dielektrikum eingebettet sind. Die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn können durch Metallschichten aus unterschiedlichen Metallisierungsebenen gebildet werden. In diesem Fall können die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn gestapelt sein. Die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn können aber auch aus Teilen der gleichen Metallisierungsebene gebildet werden. Zum Beispiel 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 elektrisch mit einer optionalen CMOS-Schaltung, die neben der Fotodiodenvorrichtung angeordnet ist, und/oder mit elektrischen Kontakten für die externe Kontaktierung verbunden sein. Die Leiterbahn kann mittels eines Kontaktstopfens mit der dotierten Wanne elektrisch verbunden sein. Insbesondere ist der Kontaktstopfen auf dem Kontaktbereich der dotierten Wanne angeordnet. Entsprechend kann die weitere Leiterbahn mittels eines weiteren Kontaktstopfens mit dem Substrat elektrisch verbunden sein. Insbesondere ist der weitere Kontaktstopfen auf dem dotierten Oberflächenbereich oder auf der Epi-Schicht angeordnet. Der Kontaktstopfen und der weitere Kontaktstopfen können aus einem Metall, beispielsweise Wolfram, bestehen. Vorteilhafterweise können die dotierte Wanne und das Substrat mittels einer herkömmlichen CMOS-Metallisierung elektrisch kontaktierbar sein.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Fotodiodenvorrichtung außerdem einen Graben. Der Graben erstreckt sich von der Hauptfläche in das Substrat hinein. Der Graben erstreckt sich von der Hauptfläche weiter in das Substrat hinein als die mindestens eine dotierte Wanne. Außerdem umgibt der Graben einen Bereich der Hauptfläche, der die mindestens eine dotierte Wanne einschließt.
  • Der Graben umgibt den Bereich einschließlich der dotierten Wanne, ohne diesen Bereich zu unterteilen. Der dotierte Oberflächenbereich und die Epi-Schicht können die von dem Graben umgebene Hauptfläche bedecken, abgesehen von der dotierten Wanne. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht kann die gesamte von dem Graben umgebene Hauptfläche bedecken. In der transversalen Richtung kann sich der Graben weiter in das Substrat hinein erstrecken als die dotierte Wanne. 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.
  • Der Graben kann vorgesehen werden, um die Diffusion von Ladungsträgern in Regionen außerhalb des von dem Graben umgebenen Bereichs zu verhindern. Dadurch kann ein Übersprechen zwischen benachbarten Fotodiodenvorrichtungen oder benachbarten Pixeln der Fotodiodenvorrichtung verhindert werden. Der Graben verhindert auch die Diffusion von Ladungsträgern in optionale Schaltkreise neben der Fotodiodenvorrichtung. Ein geringeres Übersprechen kann insbesondere erreicht werden, wenn sich der Graben weiter in das Substrat hinein erstreckt als die dotierte Wanne.
  • In einigen Ausführungsformen ist der Graben zumindest teilweise mit einem dotierten Halbleitermaterial oder einem elektrisch isolierenden Material gefüllt. Ein Dotierstoff, z. B. ein p-Typ-Dotierstoff, kann in die Seitenwände des Grabens eingebracht werden. Anschließend kann der Graben mit einem elektrisch isolierenden Material, z. B. 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.
  • Falls der Graben zumindest teilweise mit einem dotierten Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps gefüllt ist, werden die Minoritätsladungsträger vom Graben abgestoßen. Die Minoritätsladungsträger werden aus denselben Gründen abgestoßen, wie sie oben im Zusammenhang mit der Epi-Schicht erwähnt wurden. Durch diesen Mechanismus gehen die fotoinduzierten Ladungsträger nicht verloren, sondern können zum Fotostrom beitragen. Dadurch wird die Empfindlichkeit der Fotodiode erhöht.
  • In einigen anderen Ausführungsformen wird der Graben durch einen Schutzring ersetzt, der in dem Substrat angeordnet ist, das den Bereich mit der mindestens einen dotierten Wanne umgibt. Der Schutzring unterteilt oder durchschneidet diese Bereiche nicht. Der Schutzring kann einen optionalen Randbereich und einen Kernbereich umfassen. Der Randbereich hat den gleichen Typ Leitfähigkeit wie der dotierte Oberflächenbereich, und der Kernbereich hat den entgegengesetzten Typ Leitfähigkeit. Der Randbereich und der Kernbereich des Schutzrings sind elektrisch kontaktierbar. Insbesondere liegt an dem Schutzring ein Massepotential (GND) an. Der Schutzring ist vorgesehen, um ein Übersprechen zwischen benachbarten Fotodiodenvorrichtungen und/oder Pixeln der Fotodiodenvorrichtung zu verhindern. Dies hat den Vorteil, dass fotoinduzierte Ladungsträger daran gehindert werden, aus dem Bereich mit der mindestens einen dotierten Wanne zu diffundieren. Der Graben oder der Schutzring ermöglichen eine hohe spektrale Empfindlichkeit und einen niedrigen Leckstrom der Fotodiodenvorrichtung.
  • In einigen Ausführungsformen ist die mindestens eine dotierte Wanne umfasst von einem Pixel eines Arrays von Pixeln der Fotodiodenvorrichtung. Die Pixel sind durch den Graben getrennt. Alternativ dazu sind die Pixel durch den Schutzring getrennt.
  • Das bedeutet, dass das Pixel in der Draufsicht dem Bereich entspricht, der die mindestens eine dotierte Wanne enthält, die von dem Graben umgeben ist. Jedes Pixel kann mehr als eine dotierte Wanne umfassen. Die dotierten Wannen können elektrisch parallel geschaltet sein. Die Pixel können gleich gestaltet sein. Die Anordnung von Pixeln kann vorgesehen werden, um ein digitales Bild mit einer ausreichenden Auflösung entsprechend einer auf die Fotodiodenvorrichtung einfallenden Lichtverteilung zu erzeugen. Ein Übersprechen zwischen benachbarten Pixeln wird durch den Graben bzw. den Schutzring verhindert. Die Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung ist groß, da nahezu alle Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung innerhalb eines Pixels erzeugt werden, von den elektrischen Anschlüssen aufgefangen werden können.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen liegt die zu erfassende elektromagnetische Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich, insbesondere im nahen 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 zumindest einige Pixel der Pixelanordnung auf einen Teil des Wellenlängenspektrums eingestellt. Beispielsweise kann zur Anpassung der Empfindlichkeit an einen bestimmten Teil des Spektrums der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ein optischer Wellenlängenfilter zwischen der Hauptfläche und einer Quelle der einfallenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet werden.
  • Außerdem wird ein optoelektronisches System bereitgestellt, das die Fotodiodenvorrichtung umfasst. Dies bedeutet, dass alle Merkmale, die für die Fotodiodenvorrichtung offenbart sind, auch für das elektronische System offenbart werden und auf dieses anwendbar sind und umgekehrt.
  • Das elektronische 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.
  • Dass Röntgenstrahlung erfasst werden soll, ist aber ebenfalls möglich. Bei dem optoelektronischen System handelt es sich zum Beispiel um ein Computertomographiesystem (CT). Die Detektion der Röntgenstrahlen erfolgt über einen Szintillator, 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 Fotodiodenvorrichtungen erfasst wird. Der Szintillator kann oberhalb der Hauptfläche des Substrats oder oberhalb des Intermetall-Dielektrikums 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 Schaltungen können auf demselben Halbleitersubstrat wie die Fotodiode 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 elektronische System im Wearable-Segment oder in der Messtechnik und Spektrometrie eingesetzt werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die folgende Beschreibung von Figuren 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 Bezugszeichen 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 Figuren wiederholt.
    • zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform einer Fotodiodenvorrichtung.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiode.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiode.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiode.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiode.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiode.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiode.
    • zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Fotodiode.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiode.
    • zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fotodiode.
    • zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Fotodiode.
    • zeigt eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Systems mit einer Fotodiode.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In ist ein Querschnitt einer Ausführungsform einer Fotodiodenvorrichtung 1 dargestellt. Die Fotodiodenvorrichtung umfasst ein Halbleitersubstrat 2 mit einer Hauptfläche 3. Das Halbleitersubstrat besteht zum Beispiel aus 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 Substrat 2 umfasst einen hochdotierten Halbleiterkörper 4 und eine niedriger dotierte Bauelementeschicht 5. Die Bauelementeschicht 5 ist in transversaler Richtung z auf dem Halbleiterkörper 4 angeordnet, wobei die transversale Richtung z senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats 2 steht. Die Hauptfläche 3 wird also von der Bauelementeschicht 5 gebildet. Die Dotierung des Substrats 2 ist so beschaffen, dass das Substrat 2 einen ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit aufweist, der einem zweiten Typ elektrischer Leitfähigkeit entgegengesetzt ist. Der erste Typ der elektrischen Leitfähigkeit ist zum Beispiel der p-Typ.
  • Auf der Hauptfläche 3 des Substrats 2 ist mindestens eine dotierte Wanne 6 angeordnet. Im Beispiel von 1 ist nur eine dotierte Wanne 6 an der Hauptfläche 3 angeordnet. Die dotierte Wanne 6 ist vom zweiten Typ der elektrischen Leitfähigkeit, zum Beispiel vom n-Typ. Die dotierte Wanne 6 hat eine Ausdehnung in den lateralen Richtungen x, y. Eine laterale Ausdehnung d, d' der dotierten Wanne 6 liegt beispielsweise im Bereich von wenigen Mikrometern. Außerdem erstreckt sich die dotierte Wanne 6 in der transversalen Richtung z. Dies bedeutet, dass die dotierte Wanne 6 von der Hauptfläche 3 bis in das Substrat 2 hineinreicht. Die laterale Ausdehnung d' der dotierten Wanne 6 an der Hauptfläche 3 kann sich von ihrer lateralen Ausdehnung d in tieferen Bereichen des Substrats 2 unterscheiden. Wie in 1 gezeigt, kann die dotierte Wanne 6 beispielsweise an der Hauptfläche 3 schmaler sein. Die dotierte Wanne 6 umfasst eine Oberseite 7. Die Oberseite 7 wird von der Hauptfläche 3 des Substrats 2 gebildet. Das bedeutet, dass die Oberseite 7 in der transversalen Richtung z auf dem gleichen Niveau liegt wie die Hauptfläche 3.
  • Die dotierte Wanne 6 umfasst außerdem einen Kontaktbereich 8, der sich an der Oberseite 7 der dotierten Wanne 6 befindet. Der Kontaktbereich 8 hat die gleiche elektrische Leitfähigkeit wie die dotierte Wanne 6, weist jedoch eine höhere Dotierungskonzentration auf, so dass ein Ohm'scher Kontakt hergestellt werden kann. In lateraler Richtung x, y kann der Kontaktbereich 8 in der Mitte der dotierten Wanne 6 angeordnet sein.
  • In einem angrenzenden Bereich, der die dotierte Wanne 6 umgibt, ist ein dotierter Oberflächenbereich 9 an der Hauptfläche 3 angeordnet. Der dotierte Oberflächenbereich 9 bildet einen Ring, der die dotierte Wanne 3 in den lateralen Richtungen x, y umgibt. Der dotierte Oberflächenbereich 9 ist in direktem Kontakt mit der dotierten Wanne 6. Der dotierte Oberflächenbereich 9 ist für den ersten Typ der elektrischen Leitfähigkeit dotiert. Der dotierte Oberflächenbereich 9 weist eine Dotierungskonzentration auf, die höher ist als die Dotierungskonzentration des Substrats 2 und insbesondere höher als die Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht 5.
  • In der transversalen Richtung z ist der dotierte Oberflächenbereich 9 flacher als die dotierte Wanne 6. Dies bedeutet, dass die dotierte Wanne 6 tiefer in das Substrat 2 hineinreicht. In Bereichen des Substrats 2 unterhalb des dotierten Oberflächenbereichs 9 kann die dotierte Wanne 6 den dotierten Oberflächenbereich 9 in lateralen Richtungen x, y überlappen. Das bedeutet, dass in diesen Bereichen der dotierte Oberflächenbereich 9 oberhalb der dotierten Wanne 6 angeordnet sein kann, da die laterale Ausdehnung d, d' der dotierten Wanne 6, wie oben erwähnt, variieren kann.
  • Außerdem ist eine Deckschicht 10 auf der Hauptfläche 3 des Substrats 2 angeordnet. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Deckschicht 10 eine Epi-Schicht 11. Die Epi-Schicht 11 kann epitaktisch auf dem Halbleitersubstrat 2 aufgewachsen sein. Daher kann die Epi-Schicht 11 auch aus Silizium bestehen. Die Epi-Schicht 11 ist für den ersten Typ der elektrischen Leitfähigkeit dotiert. Ihre Dotierungskonzentration ist höher als die Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht 5, aber niedriger als die Dotierungskonzentration des dotierten Oberflächenbereichs 9. Die Epi-Schicht 11 ist auf der Hauptfläche 3 in den lateralen Richtungen x, y neben dem dotierten Oberflächenbereich 9 angeordnet. Die Epi-Schicht 11 bedeckt die gesamte Hauptfläche 3, die nicht von der dotierten Wanne 6 und dem dotierten Oberflächenbereich 9 bedeckt ist. Die Epi-Schicht 11 kann aber auch stellenweise auf dem dotierten Oberflächenbereich 9 und/oder stellenweise auf der Oberseite 7 der dotierten Wanne 6 angeordnet sein.
  • Die in gezeigte Ausführungsform umfasst auch ein Intermetall-Dielektrikum 12, das auf oder über der Hauptfläche 3 angeordnet ist. Stellenweise ist das Intermetall-Dielektrikum 12 auf der Epi-Schicht 11 angeordnet, wenn die Epi-Schicht 11 vorhanden ist. Das Intermetall-Dielektrikum 12 kann die gesamte Fotodiodenvorrichtung 1 bedecken. Das Intermetall-Dielektrikum 12 kann z. B. Siliziumoxid (SiO2) aufweisen. Innerhalb des Intermetall-Dielektrikums 12 sind eine Leiterbahn 13 und ein Kontaktstopfen 14 angeordnet, um die dotierte Wanne 6 zu kontaktieren. Die Leiterbahn 13 ist in das Intermetall-Dielektrikum 12 eingebettet und über den Kontaktstopfen 14 mit der dotierten Wanne 6 elektrisch verbunden. Die Leiterbahn 13 und der Kontaktstopfen 14 können aus einem Metall bestehen. Die Leiterbahn 13 besteht zum Beispiel aus Aluminium (Al). Der Kontaktstopfen 14 kann aus Wolfram (W) und/oder Aluminium bestehen.
  • In ist ein Querschnitt durch eine andere beispielhafte Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1 dargestellt. Der einzige Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass die Deckschicht 10 anstelle der Epi-Schicht 11 eine dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 umfasst. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 umfasst eine Vielzahl von Raumladungen. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 kann Siliziumnitrid (SiN) aufweisen. Beispielsweise umfasst die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 mindestens eines der folgenden Materialien: SiN oder nicht-stöchiometrisches Si3+xN4-x. Mit diesen Materialien können positive Raumladungen in der dielektrischen Passivierungsschicht 15 gebildet werden. Die dielektrische Passivierungsschicht 15 kann auch mindestens eines der Materialien Aluminiumoxid (Al2O3) und Hafniumoxid (HfO2) enthalten. Mit diesen Materialien können negative Raumladungen in der dielektrischen Passivierungsschicht 15 gebildet werden.
  • Wie die Epi-Schicht 11 ist auch die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 auf der Hauptfläche 3 angeordnet. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 kann die gesamte Hauptfläche einschließlich der oberen Fläche 7 der dotierten Wanne 6 bedecken. In 2 bedeckt die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 jedoch nur Teile der Hauptfläche 3, die nicht von der dotierten Wanne 6 und dem dotierten Oberflächenbereich 9 bedeckt sind. Wie in 2 gezeigt, kann es zu einer Überlappung des dotierten Oberflächenbereichs 9 und der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht 15 in den lateralen Richtungen x, y kommen. Es ist möglich, dass zwischen der Hauptfläche 3 und der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht 15 ein nativer Oxidfilm (nicht gezeigt) angeordnet ist.
  • zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1. In diesem Beispiel besteht die Deckschicht 10 aus einer Kombination aus der Epi-Schicht 11 und der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht 15. Die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 ist zumindest stellenweise auf der Epi-Schicht 11 angeordnet. Das bedeutet, dass die Deckschicht 10 stellenweise als Stapel sowohl aus der Epi-Schicht 11 als auch aus der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht 15 gebildet werden kann, während die Deckschicht 10 stellenweise nur aus einer der beiden Schichten gebildet werden kann. Im Beispiel von 3 bedeckt die Epi-Schicht 11 den dotierten Oberflächenbereich 9 nicht, während die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 Teile des dotierten Oberflächenbereichs 9 bedeckt.
  • Stellenweise ist das Intermetall-Dielektrikum 12 auf der Deckschicht 10, insbesondere auf der dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht 15, angeordnet, wenn die Deckschicht 10 vorhanden ist. Weiterhin zeigt 3, dass eine weitere Leiterbahn 16 in das Intermetall-Dielektrikum 12 eingebettet ist und über einen weiteren Kontaktstopfen 17 und den dotierten Oberflächenbereich 9 mit dem Substrat 2 elektrisch verbunden ist. Somit kann der dotierte Oberflächenbereich 9 als Kontaktbereich für das Substrat 2 genutzt werden. Wie die Leiterbahn 13 und der Kontaktstopfen 14 können auch die weitere Leiterbahn 16 und der weitere Kontaktstopfen 17 ein Metall aufweisen. Die weitere Leiterbahn 16 weist zum Beispiel Aluminium auf. Der weitere Kontaktstopfen 17 weist Wolfram und/oder Aluminium auf. Wie in 3 dargestellt, sind die Leiterbahn 13 und die weitere Leiterbahn 16 durch unterschiedliche Metallisierungsebenen gebildet. Dadurch ist es möglich, die Leiterbahn 13 und die weitere Leiterbahn 16 gestapelt anzuordnen. Die gestapelte Anordnung hat den Vorteil, dass der Bereich, in dem einfallende elektromagnetische Strahlung durch die Leiterbahn 13 und die weitere Leiterbahn 16 blockiert wird, minimal ist. Außerdem kann die gestapelte Anordnung geeignet sein, die Größe der Fotodiodenvorrichtung 1 zu verringern.
  • Falls das Substrat 2 vom p-Typ und die dotierte Wanne 6 vom n-Typ ist, bildet ein Kontakt, der das Substrat 2 mit einem elektrischen Potential verbindet, einen Anodenanschluss, während ein Kontakt, der die dotierte Wanne 6 mit einem anderen elektrischen Potential verbindet, einen Kathodenanschluss bildet. Das Substrat 2 kann elektrisch mit einem Massepotential (GND) verbunden sein. Die dotierte Wanne 6 kann elektrisch mit einem positiven Potential (v+) verbunden sein.
  • In ist ein Querschnitt durch eine andere beispielhafte Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1 dargestellt. 4 unterscheidet sich von 3 dadurch, dass die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 die gesamte Hauptfläche 3 einschließlich der Oberseite 7 der dotierten Wanne 6 bedeckt. Die dielektrische Passivierungsschicht 15 ist mit Durchkontaktierungen 18 versehen, die die dielektrische Passivierungsschicht 15 durchdringen, an Stellen wo das Substrat 2 und die dotierte Wanne 6 über Kontaktstopfen 14, 17 mit den jeweiligen Leiterbahnen 13, 16 verbunden sind. Eine Bedeckung der gesamten Hauptfläche 3 durch die dielektrische Passivierungsschicht 15 kann vorteilhaft sein, wenn die dielektrische Passivierungsschicht 15 zusätzlich als Antireflexbeschichtung eingesetzt wird. Auf diese Weise wird einfallende elektromagnetische Strahlung von der Hauptfläche 3 nicht reflektiert oder die Reflexion wird erheblich reduziert.
  • zeigt eine weitere Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1 ähnlich wie in . In dieser Ausführungsform wird jedoch kein dotierter Oberflächenbereich 9 verwendet. Stattdessen bedeckt die Epi-Schicht 11 die Hauptfläche 3 so, dass sie die dotierte Wanne 6 in den lateralen Richtungen x, y leicht überlappt. Somit bedeckt die Epi-Schicht 11 einen größeren Teil der Hauptfläche 3 als die dielektrische Oberflächenpassivierung 15. Im Beispiel von 5 wird das Substrat 2 durch die Epi-Schicht 11 elektrisch kontaktiert. Die Vermeidung des dotierten Oberflächenbereichs 9 kann darauf abzielen, eine hohe spektrale Empfindlichkeit im blauen Wellenlängenbereich zu erreichen, da die durch die p+-Dotierung induzierte Auger-Rekombination an der Hauptfläche 3 minimiert und die durch Ionenimplantation verursachte Kristallschädigung beseitigt wird. Defekte im Kristallgitter würden Rekombinationszonen bieten.
  • zeigt eine weitere Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1. In dieser Ausführungsform umfasst die Deckschicht 10 die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15, jedoch nicht die Epi-Schicht 11. Der dotierte Oberflächenbereich 9 bedeckt die gesamte Hauptfläche 3 mit Ausnahme der dotierten Wanne 6. Der dotierte Oberflächenbereich 9 bedeckt die gesamte Hauptfläche 3 mit Ausnahme derjenigen Teile der Hauptfläche 3, in denen die dotierte Wanne 6 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform kann die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 als antireflektierende Beschichtung und der dotierte Oberflächenbereich 9 zur Abweisung von Ladungsträgern von der Hauptfläche 3 vorgesehen sein.
  • In ist eine ähnliche Ausführungsform wie in dargestellt. Hier ist ein Abstand 19 zwischen der dotierten Wanne 6 und dem dotierten Oberflächenbereich 9 vorhanden. Das bedeutet, dass die dotierte Wanne 6 an der Hauptfläche 3 durch die Bauelementeschicht 5 von dem dotierten Oberflächenbereich 9 beabstandet ist. Durch den von Null abweichenden Abstand 19 kann die Grenzschichtkapazität zwischen der dotierten Wanne 6 und dem dotierten Oberflächenbereich 9 verringert werden.
  • zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1. Die Fotodiodenvorrichtung 1 umfasst zwei Pixel 20, 20'. Die Fotodiodenvorrichtung 1 kann weitere Pixel 20' in jeder lateralen Richtung x, y umfassen, wie durch f-Zeichen angedeutet. Jedes Pixel 20, 20' umfasst einen Bereich der Hauptfläche 3 mit einer dotierten Wanne 6. Der dotierte Oberflächenbereich 9 grenzt an die dotierte Wanne 6 und bedeckt die gesamte Hauptfläche 3, die von diesem Bereich umfasst wird. Die Deckschicht 10 ist in 8 nicht dargestellt.
  • Die Pixel 20, 20' sind durch einen Graben 21 getrennt, der jedes Pixel 20, 20' in den lateralen Richtungen x, y umgibt. Mit anderen Worten, der Graben 21 umgibt den Bereich der Hauptfläche 3, der die mindestens eine dotierte Wanne 6 einschließt. Der Graben erstreckt sich von der Hauptfläche 3 weiter in das Substrat 2 hinein als die mindestens eine dotierte Wanne 6. Der Graben 21 kann sich verjüngen (22), wie durch gestrichelte Linien angedeutet. Das bedeutet, dass der Graben 21 immer schmaler wird, je tiefer er in das Substrat 2 hineinreicht. Der Graben ist zum Beispiel mit einem isolierenden Material wie Siliziumoxid gefüllt.
  • Die Leiterbahn 13 und die weitere Leiterbahn 16 sind gestapelt. Das bedeutet, dass aus der Sicht des Betrachters die Leiterbahn 13 in nicht sichtbar ist. Die Leiterbahn 13 ist jedoch durch gestrichelte Linien angedeutet. Auch der Kontaktstopfen 14 und der weitere Kontaktstopfen 17 sind durch kleine Kreise angedeutet, obwohl sie aus der Sicht des Betrachters nicht sichtbar sind.
  • In der in 8 dargestellten Ausführungsform verlaufen die Leiterbahn 13 und die weitere Leiterbahn 16 von Süden nach Norden durch die Mitte der dotierten Wanne 6. Es ist jedoch auch möglich, dass die Leiterbahn 13 und die weitere Leiterbahn 16 gegenüber der dotierten Wanne 6 gedreht und/oder verschoben sind. Beispielsweise können die Leiterbahn 13 und die weitere Leiterbahn 16 die dotierte Wanne 6 nicht bedecken. Die dotierte Wanne 6 kann über einen von der Leiterbahn 13 in einen Bereich oberhalb der dotierten Wanne 6 reichenden Abzweig mit der Leiterbahn 13 elektrisch verbunden sein, ähnlich wie der in 8 dargestellte Abzweig der weiteren Leiterbahn 16.
  • In der Draufsicht ist die Form der dotierten Wannen 6 beliebig. zeigt beispielhaft eine vieleckige Form. Es sind jedoch auch kreisförmige Formen möglich. Die Form der Pixel 20, 20' ist in 8 als rechteckig dargestellt. Vorteilhafterweise können rechteckige Pixel 20, 20' zu Arrays zusammengefasst werden.
  • 9 zeigt einen Querschnitt der Ausführungsform gemäß 8. Sie zeigt ferner die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 auf der Hauptfläche 3 der Pixel 20, 20'. Der Graben 21 durchdringt die Bauelementeschicht 5 vollständig. Der Graben 21 endet in dem Halbleiterkörper 4. Wie in dargestellt, verjüngt sich der Graben 21 in Richtung des Halbleiterkörpers 4.
  • Es ist gezeigt, dass der Graben 21 mit demselben isolierenden Material gefüllt werden kann wie das Intermetall-Dielektrikum 12. In die Seitenwände 23 des Grabens 21 kann jedoch ein Dotierstoff, z. B. ein p-Typ-Dotierstoff, eingebracht werden. So können die Seitenwände 23 des Grabens 21 über den dotierten Oberflächenbereichs 9 und die weitere Leiterbahn 16 mit dem Anodenanschluss verbunden werden. Minoritätsladungsträger werden aufgrund des Dotierungsgradienten zwischen der Bauelementeschicht 5 und den Seitenwänden 23 des Grabens 21 vom Graben abgestoßen. Aufgrund dieses Mechanismus können die im Pixel 20 erzeugten Ladungsträger nicht zu einem anderen Pixel 20' diffundieren und zum Fotostrom beitragen. Der Graben 21 verhindert ein Übersprechen zwischen benachbarten Pixeln 20, 20'.
  • zeigt einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1. Der einzige Unterschied zur Ausführungsform von 9 besteht darin, dass der Graben 21 mit einem dotierten Halbleitermaterial gefüllt ist. Die Grabenseitenwand 23 kann jedoch weiterhin so dotiert sein, dass ihre Dotierungskonzentration höher ist als die der übrigen Füllung des Grabens 21. Der Graben 21 oder die Füllung des Grabens 21 kann elektrisch mit einem Anschluss verbunden sein.
  • ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Fotodiodenvorrichtung 1. Sie zeigt eine Vielzahl von dotierten Wannen 6, die für ein Pixel 20 vorgesehen sind, das Teil einer Anordnung von Pixeln 20, 20' ist, die zur Bilderfassung vorgesehen sind. Die Vielzahl der dotierten Wannen 6 ist von einem Graben umgeben, der den Bereich, in dem die Vielzahl der dotierten Wannen 6 angeordnet ist, nicht unterteilt oder durchschneidet. Somit definiert der Graben 21 den Pixelbereich in den lateralen Richtungen x, y. Weitere Pixel 20' sind in 11 jenseits des Grabens 21 dargestellt. Anstelle des Grabens kann auch ein Schutzring 24, wie oben beschrieben, verwendet werden.
  • Die Anzahl der dotierten Wannen 6 ist beliebig, ebenso wie ihre Anordnung. Die in gezeigte Anordnung ist nur ein Beispiel für ein geeignetes Muster. Die Abstände zwischen den dotierten Wannen 6 und ihre Formen können geändert und an die Anforderungen einzelner Ausführungsformen angepasst werden.
  • Der dotierte Oberflächenbereich 9, die Epi-Schicht 11 und/oder die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht 15 (diese Schichten sind in 11 nicht dargestellt) können die von dem Graben 21 oder dem Schutzring 24 umgebene Hauptfläche 3 bedecken, wie in einer der vorhergehenden Figuren gezeigt. Die dotierten Wannen 6 sind durch Leiterbahnen 13 elektrisch verbunden. Weitere Leiterbahnen 16 sind getrennt von den Leiterbahnen 13 angeordnet. Die weiteren Leiterbahnen 16 sind elektrisch mit dem Substrat 2 verbunden. Wahlweise können die weiteren Leiterbahnen 16 mit einer leitfähigen Füllung des Grabens 21 bzw. mit dem Schutzring 24 verbunden sein. Die Leiterbahnen 13 und die weiteren Leiterbahnen 16 können parallel und in abwechselnder Reihenfolge verlaufen, wie in 11 beispielhaft dargestellt. Ein gemeinsamer elektrischer Anschluss 25 der Leiterbahnen 13 kann mit einer Steuer- oder Ausleseschaltung (nicht dargestellt) am Rande der Pixelanordnung 20, 20' verbunden sein.
  • 12 zeigt eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Systems 26, das die Fotodiodenvorrichtung 1 umfasst. Das optoelektronische System 26 umfasst ferner eine Schaltung 27 zum Auslesen elektrischer Signale aus der Fotodiodenvorrichtung 1. Die Schaltung 27 kann z. B. Speicherkondensatoren, Speicherelemente, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) oder Ähnliches enthalten. Die Schaltung 27 ist über eine elektrische Verbindung 28 mit der Fotodiodenvorrichtung 1 elektrisch verbunden. Das optoelektronische System 26 kann z. B. ein Kamerasystem oder ein Sensor für elektromagnetische Strahlung, insbesondere für Umgebungslicht, sein. Das optoelektronische System 26 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 deutschen Patentanmeldung 102020133180.0 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • Bezugszeichen
    • 1
    Fotodiodenvorrichtung
    2
    Substrat
    3
    Hauptfläche
    4
    Halbleiterkörper
    5
    Bauelementeschicht
    6
    dotierte Wanne
    7
    Oberseite der dotierten Wanne
    8
    Kontaktbereich
    9
    dotierter Oberflächenbereich
    10
    Deckschicht
    11
    Epi-Schicht
    12
    Intermetall-Dielektrikum
    13
    Leiterbahn
    14
    Kontaktstopfen
    15
    dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht
    16
    weitere Leiterbahnen
    17
    weiterer Kontaktstopfen
    18
    Durchkontaktierung
    19
    Abstand
    20, 20'
    Pixel
    21
    Graben
    22
    Verjüngung
    23
    Seitenwand des Grabens
    24
    Schutzring
    25
    gemeinsamer elektrischer Anschluss
    26
    optoelektronisches Gerät
    27
    Schaltung
    28
    Elektrische Verbindung
    d, d'
    laterale Ausdehnung der dotierten Wanne
    x,y
    laterale Richtungen
    z
    transversale Richtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102020133180 [0099]

Claims (16)

  1. Fotodiodenvorrichtung (1), aufweisend: - ein Halbleitersubstrat (2) mit einer Hauptfläche (3), wobei das Halbleitersubstrat (2) einen ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit aufweist, - mindestens eine dotierte Wanne (6) 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 eine Oberseite der dotierten Wanne einen Teil der Hauptfläche des Substrats bildet, wobei die mindestens eine dotierte Wanne (6) und das Substrat (2) elektrisch kontaktierbar sind, - eine Deckschicht (10), die auf der Hauptfläche (3) des Substrats (2) zumindest stellenweise außerhalb der dotierten Wanne (6) angeordnet ist, wobei die Deckschicht (10) mindestens eines von einer Epi-Schicht (11) des ersten Typs elektrischer Leitfähigkeit und einer dielektrischen Oberflächenpassivierungsschicht (15), die eine Vielzahl von Raumladungen umfasst, oder eine Kombination davon ist.
  2. Fotodiodenvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Substrat (2) einen Halbleiterkörper (4) und eine auf dem Halbleiterkörper (4) angeordnete Bauelementeschicht (5) umfasst, so dass die Hauptfläche (3) durch eine Oberfläche der Bauelementeschicht (5) gebildet wird.
  3. Fotodiodenvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Epi-Schicht (11) in-situ für den ersten Typ elektrischer Leitfähigkeit dotiert ist, so dass sie eine Dotierungskonzentration aufweist, die höher ist als eine Dotierungskonzentration der Bauelementeschicht (5).
  4. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Epi-Schicht (11) eine Dicke von höchstens 100 nm, höchstens 50 nm oder höchstens 10 nm aufweist.
  5. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht (15) positive Raumladungen oder negative Raumladungen aufweist, so dass ein elektrisches Feld an der Hauptfläche (3) des Substrats (2) gebildet wird.
  6. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Oberflächenpassivierungsschicht (15) Siliziumnitrid, Aluminiumoxid und/oder Hafniumoxid umfasst.
  7. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Epi-Schicht (11) so angeordnet ist, dass in einer transversaler Richtung (z) ein Bereich oberhalb der mindestens einen dotierten Wanne (6) frei von der Epi-Schicht (11) ist, wobei die transversaler Richtung (z) senkrecht zur Hauptfläche (3) des Substrats (2) verläuft.
  8. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Deckschicht (10) zur Abstoßung von Ladungsträgern und/oder zur Verwendung als Antireflexionsbeschichtung vorgesehen ist.
  9. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens einen dotierten Oberflächenbereich (9) des ersten Typs elektrischer Leitfähigkeit an der Hauptfläche (3) des Substrats (2), wobei die mindestens eine dotierte Wanne (6) frei von dem dotierten Oberflächenbereich (9) ist.
  10. Fotodiodenvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in lateralen Richtungen (x, y), die parallel zur Hauptfläche (3) des Substrats (2) verlaufen, ein Abstand (19) zwischen der mindestens einen dotierten Wanne (6) und dem mindestens einen dotierten Oberflächenbereich (9) besteht.
  11. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der mindestens eine dotierte Oberflächenbereich (9) in lateralen Richtungen (x, y) einen Ring oder einen Rahmen bildet, der die mindestens eine dotierte Wanne (6) umgibt.
  12. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend - ein Intermetall-Dielektrikum (12), das auf oder über der Hauptfläche (3) des Substrats (2) angeordnet ist, - eine in das Intermetall-Dielektrikum (12) eingebettete Leiterbahn (13), die mit der mindestens einen dotierten Wanne (6) elektrisch verbunden ist, und - eine in das Intermetall-Dielektrikum (12) eingebettete weitere Leiterbahn (16), die mit dem Substrat (2) elektrisch verbunden ist.
  13. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einem Graben (21), der sich von der Hauptfläche (3) weiter in das Substrat (2) hinein erstreckt als die mindestens eine dotierte Wanne (6) und einen Bereich der Hauptfläche (3) umgibt, der die mindestens eine dotierte Wanne (6) einschließt.
  14. Fotodiodenvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Graben (21) zumindest teilweise mit einem dotierten Halbleitermaterial oder einem elektrisch isolierenden Material gefüllt ist.
  15. Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die mindestens eine dotierte Wanne (6) von einem Pixel (20) eines Arrays von Pixeln (20, 20') der Fotodiodenvorrichtung (1) umfasst wird, wobei die Pixel durch den Graben (21) getrennt sind.
  16. Optoelektronisches System (26) aufweisend die Fotodiodenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische System (26) zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zur Umgebungslicht-Erfassung, vorgesehen ist.
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