DE19730329C2 - Integrated photocell array with PN isolation - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein integriertes Fotozellenarray mit PN-Isolation, bei dem als Fotozellen verwendete PN-Übergänge mit Licht bestrahlt werden.The invention relates to an integrated photocell array PN isolation, for the PN transitions used as photocells be irradiated with light.
Bekanntlich können zur Isolation benachbarter Bauelemente voneinander in integrierten Schaltungen die sogenannte die lektrische Isolation oder die Graben- bzw. Trench-Isolation angewandt werden. Die dielektrische Isolation wird beispiels weise bei sogenannten Festkörper- bzw. Solid-State-Relais (SSR) eingesetzt, während die Trench-Isolation zusammen mit wafergebondeten Scheiben in den verschiedensten integrierten Schaltungen Verwendung findet.As is known, can be used to isolate neighboring components from each other in integrated circuits the so-called electrical isolation or trench or trench isolation be applied. The dielectric insulation is an example as with so-called solid state or solid state relays (SSR) used during the trench isolation along with wafer-bonded wafers in a variety of integrated Circuits are used.
Die erwähnten SSR erfordern eine monolithische Integration von DMOS-Transistoren mit einer Durchbruchspannung bis etwa 400 V, Niedervoltbauelemente für die Ansteuerung von Schutz funktionen und ein Fotozellenarray, das dann, wenn es bei spielsweise von einer Leuchtdiode angestrahlt ist, die not wendige Einschaltspannung zu liefern vermag.The SSR mentioned require monolithic integration of DMOS transistors with a breakdown voltage up to about 400 V, low-voltage components for the control of protection functions and a photocell array that, when it comes to for example, is illuminated by a light emitting diode, which is not can supply agile switch-on voltage.
Für ein solches Fotozellenarray wird derzeit die dielektri sche Isolation verwendet, wobei ein Leckstrom zwischen ein zelnen Zellen des Fotozellenarrays nicht auftreten kann.The dielectri is currently used for such a photocell array insulation used, with a leakage current between one cells of the photocell array cannot occur.
Wird eine PN-Isolation zum elektrischen Isolieren von benach barten Fotozellen in einem integrierten Fotozellenarray ein gesetzt, so wird der Betrieb des Fotozellenarrays durch La dungsträger beeinträchtigt, die bei Bestrahlung der PN- Isolation mit dem auf das Fotozellenarray einfallenden Licht freigesetzt werden. Daher ist eine PN-Isolation für inte grierte Fotozellenarrays bisher als wenig zweckmäßig angese hen worden. If a PN insulation for electrical insulation of neighboring embedded photocells in an integrated photocell array set, the operation of the photocell array is controlled by La manure carriers impaired, which when irradiating the PN Isolation with the light incident on the photocell array to be released. Therefore, PN isolation for inte hitherto considered photocell arrays as not very practical hen.
In der DE 29 30 108 A1 ist eine Halbleiteranordnung mit einer Anzahl in Reihe geschalteter fotoempfindlicher Zellen be schrieben, bei der ein PN-Übergang zwischen einer hochdotier ten Zwischenschicht von einem ersten Leitungstyp und einem Substrat von einem zweiten Leitungstyp als Isolation vorgese hen ist. Bei dieser Halbleiteranordnung kann senkrecht ein fallendes Licht ohne weiteres diesen PN-Übergang erreichen.DE 29 30 108 A1 describes a semiconductor arrangement with a Number of photosensitive cells connected in series wrote in which a PN transition between a highly doped th intermediate layer of a first conduction type and one Vorese substrate of a second conductivity type as insulation hen is. With this semiconductor arrangement, a vertical can falling light can easily reach this PN junction.
Gleiches gilt auch für eine aus der US-PS 5,045,908 bekannte Fotodiode, bei der Licht, das senkrecht auf diese Fotodiode einfällt, ohne weiteres den PN-Übergang zwischen Schichten unterschiedlichen Leitungstyps zu erreichen vermag.The same also applies to one known from US Pat. No. 5,045,908 Photodiode, with the light that is perpendicular to this photodiode occurs without further ado the PN transition between layers different line types.
Schließlich ist in der US 5,549,762 A ein fotovoltaischer Ge nerator mit dielektrischer Isolation beschrieben, bei dem aber durch Bestrahlung einer PN-Isolation auftretende Proble me nicht vorliegen.Finally, in US 5,549,762 A is a photovoltaic Ge described dielectric insulation generator, in which but problems arising from irradiation of PN insulation me not available.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein integriertes Fotozellenarray zu schaffen, dessen Betrieb nicht durch La dungsträger beeinträchtigt wird, die speziell bei Einfall des senkrecht zur Ebene des Fotozellenarrays eingestrahlten Lich tes auf die PN-Isolation ausgelöst werden.It is an object of the present invention to provide an integrated To create photocell array, the operation of which is not regulated by La is affected, especially when the Incident light perpendicular to the plane of the photocell array tes on the PN insulation.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein integriertes Fo tozellenarray mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 ge löst.This object is achieved by an integrated Fo cell array with the features of claim 1 ge solves.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous developments of the invention result from the subclaims.
Auf das integrierte Fotozellenarray können Spiegelschichten aufgebracht sein, die einfallendes Licht zwar zu den PN- Übergängen der Fotozellen leiten, jedoch die PN-Isolation vor dem einfallenden Licht abschirmen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die PN-Isolation mit einer vergrabenen Lichts perrschicht zu versehen, für die beispielsweise Wolframsili zid (WSi) verwendet werden kann.Mirror layers can be placed on the integrated photocell array be applied, the incident light to the PN Transitions of the photocells lead, however, the PN isolation shield the incoming light. Another possibility consists of PN isolation with a buried light to provide a perl layer, for example for Wolframsili zid (WSi) can be used.
Für die bereits genannten Spiegelschichten kann in vorteil hafter Weise Aluminium eingesetzt werden. Es ist aber auch möglich, andere Materialien zu benutzen, sofern diese einfal lendes Licht ausreichend zu reflektieren vermögen.For the mirror layers already mentioned can be advantageous aluminum is used. It is also possible to use other materials, provided they come to mind reflecting light can adequately reflect.
In bevorzugter Weise sind die Spiegelschichten so angeordnet, daß sie das Licht, das auf das Fotozellenarray einfällt, in eine Richtung umlenken, die ungefähr parallel zu den Ebenen der PN-Übergänge verläuft. In bevorzugter Weise können die Spiegelschichten einerseits auf die einzelnen Fotozellen par allel zu den PN-Übergängen und andererseits zwischen den ein zelnen Fotozellen in der Form eines umgekehrten "V" mit einem Neigungswinkel von etwa 45° bezüglich der Ebene des jeweili gen PN-Übergangs angeordnet werden. Anstelle einer Spiegel schicht können die PN-Übergänge auch mit einer beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehenden Abdeckung versehen werden, so daß die außerhalb der PN-Übergänge angeordneten Spiegel schichten das Licht in den Bereich der PN-Übergänge ablenken.The mirror layers are preferably arranged such that that it blocks the light that falls on the photocell array redirect a direction that is roughly parallel to the planes the PN transitions run. In a preferred manner, the Mirror layers on the one hand on the individual photocells par allel to the PN transitions and on the other hand between the one individual photocells in the shape of an inverted "V" with a Inclination angle of about 45 ° with respect to the plane of the respective be arranged towards the PN junction. Instead of a mirror The PN transitions can also be layered with, for example cover made of silicon dioxide can be provided, so that the mirrors arranged outside the PN junctions layers deflect the light into the area of the PN junctions.
Bei dem erfindungsgemäßen integrierten Fotozellenarray er folgt also die Isolation zwischen den einzelnen Fotozellen über PN-Übergänge, d. h. eine PN-Isolation, wobei das einfal lende Licht so umgelenkt wird, daß lediglich die als Fotozel len verwendeten PN-Übergänge mit Licht bestrahlt sind.In the integrated photocell array according to the invention the insulation between the individual photocells follows via PN transitions, d. H. a PN isolation, which is easy lending light is deflected so that only as a photo cell len used PN junctions are irradiated with light.
Der Leckstrom der PN-Isolation ist zwar nicht Null wie bei der dielektrischen Isolation, aber um viele Größenordnungen kleiner als der Nutzstrom, der durch die Bestrahlung der PN- Übergänge der Fotozellen erzeugt wird.The leakage current of the PN insulation is not zero as with dielectric insulation, but by many orders of magnitude less than the useful current that is generated by the irradiation of the PN Transitions of the photocells is generated.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be described in more detail below with reference to the drawings explained. Show it:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Fotozellenarray nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin dung, Fig. 1 is a sectional view dung by a photo cell array according to a first embodiment of the OF INVENTION,
Fig. 2 eine Möglichkeit zur Verschaltung einzelner Foto zellen nach dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1, Fig. 2 is a possibility for the interconnection of individual photocells according to the first embodiment of Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Fotozelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 3 is a sectional view of a photoelectric cell according to a second embodiment of the invention,
Fig. 4 eine Möglichkeit zur Verschaltung einzelner Foto zellen nach dem zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 3, und. Fig. 4 shows a way to interconnect individual photo cells according to the second embodiment of Fig. 3, and.
Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch ein Fotozellenarray nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfin dung. Fig. 5 is a sectional view through a photocell array according to a third embodiment of the inven tion.
In Fig. 1 sind in einem P-leitenden Siliziumsubstrat 1 zwei Fotozellen D1, D2 vorgesehen. Jede Fotozelle D1, D2 weist ei nen P-leitenden Bereich 3 sowie einen N-leitenden Bereich 4 auf. Zwischen den Bereichen 3, 4 besteht so ein PN-Übergang 2 der jeweiligen Fotozelle D1 bzw. D2.In Fig. 1 1, two photo cells D1, D2 are provided in a P-type silicon substrate. Each photocell D1, D2 has a P-type region 3 and an N-type region 4 . There is a PN junction 2 of the respective photocell D1 or D2 between the areas 3 , 4 .
Die beiden gezeigten Fotozellen D1 und D2 sind voneinander durch eine PN-Isolation 5 elektrisch getrennt, die durch den PN-Übergang zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und den N- Bereichen 4 gebildet wird.The two photocells D1 and D2 shown are electrically separated from one another by a PN insulation 5 , which is formed by the PN junction between the silicon substrate 1 and the N regions 4 .
Bei Lichteinstrahlung soll das einfallende Licht die PN- Übergänge 2 erreichen, während die PN-Isolation 5 vor einem solchen Licht möglichst geschützt sein soll, damit kein para sitärer Leckstrom ausgelöst wird.In the case of light irradiation, the incident light should reach the PN junctions 2 , while the PN insulation 5 should be protected from such light as much as possible, so that no parasitic leakage current is triggered.
Erfindungsgemäß sind daher Spiegelschichten 6, 7 vorgesehen, die so angeordnet sind, daß sie das einfallende Licht einer seits zu den PN-Übergängen 2 leiten, andererseits jedoch die PN-Isolation 5 vor dem einfallenden Licht schützen. Im ein zelnen sind daher die Spiegelschichten 7 parallel zu dem PN- Übergang 2 auf den P-Bereich 3 aufgetragen, während die Spie gelschichten 6 in den Bereichen zwischen den Fotozellen D1, D2 unter einem Winkel von etwa 45° schräg verlaufen, so daß einfallendes Licht 8 zu den PN-Übergängen 2 umgelenkt wird.According to the invention, therefore, mirror layers 6 , 7 are provided, which are arranged such that they on the one hand guide the incident light to the PN junctions 2 , but on the other hand protect the PN insulation 5 from the incident light. In an individual, therefore, the mirror layers 7 are applied parallel to the PN junction 2 on the P region 3 , while the mirror layers 6 in the regions between the photocells D1, D2 are inclined at an angle of approximately 45 °, so that incident Light 8 is redirected to the PN junctions 2 .
Wesentlich ist also, daß durch die Spiegelschichten 6 das zu nächst senkrecht einfallende Licht 8 nur auf die als Fotozel len wirkenden PN-Übergänge 2 abgelenkt wird, so daß diese ausreichend bestrahlt sind, während die PN-Isolation 5 vor diesem Licht geschützt ist.It is therefore essential that the mirror layers 6 deflect the light 8 incident perpendicularly only onto the PN junctions 2 acting as Fotozel len, so that these are sufficiently irradiated, while the PN insulation 5 is protected from this light.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Fotozellenarrays ist einfach durchzuführen: in das P-leitende Substrat 1 werden in üblicher Weise die N-Bereiche 4 durch Diffusion eingebracht, wonach in einem weiteren Diffusionsschritt die P-leitenden Bereiche 3 gebildet werden. Sodann werden die Gräben 9 ge ätzt, wozu die üblichen Ätzverfahren herangezogen werden kön nen. Schließlich werden sodann noch die Spiegelschichten 6, 7 aufgebracht, für die in bevorzugter Weise Aluminium verwendet werden kann.The photocell array according to the invention can be produced in a simple manner: the N regions 4 are introduced into the P-type substrate 1 in the usual way by diffusion, after which the P-type regions 3 are formed in a further diffusion step. The trenches 9 are then etched, for which purpose the usual etching processes can be used. Finally, the mirror layers 6 , 7 are then applied, for which aluminum can be used in a preferred manner.
Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit zur Verschaltung der Fotozellen des Ausführungsbeispiels von Fig. 1. Hier liegen n Fotozellen D1, D2, . . ., Dn in Reihe zueinander, um bei Lichteinstrahlung (vgl. die Pfeile in Fig. 2) eine Gesamtspannung Un zu erzeu gen. Die einzelnen Fotozellen D1, D2, . . ., Dn sind gegen das Substrat 1 bzw. dessen Anschluß S durch die jeweilige Dioden bildende PN-Isolation 5 isoliert. FIG. 2 shows a possibility of interconnecting the photocells of the exemplary embodiment from FIG. 1. Here there are n photocells D1, D2,. , ., Dn in series with one another in order to generate a total voltage Un when exposed to light (cf. the arrows in FIG. 2). The individual photocells D1, D2,. , ., Dn are isolated from the substrate 1 or its terminal S by the respective PN insulation 5 forming the respective diodes.
Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausfüh rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Fotozellenarrays, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zunächst da durch unterscheidet, daß der N-leitende Bereich 4 über einen Buried-Layer (vergrabene Schicht) 9 kontaktiert ist, welcher N+-dotiert ist. Außerdem ist der P-Bereich 3 in den N-Bereich 4 eingebettet. Das Siliziumsubstrat 1 ist P--leitend und ge erdet. Fig. 3 shows a sectional view of a second exemplary embodiment of the photocell array according to the invention, which differs from the first exemplary embodiment of FIG. 1 in that the N-conducting region 4 is contacted via a buried layer (buried layer) 9 , which N is -doped. In addition, the P region 3 is embedded in the N region 4 . The silicon substrate 1 is P - conductive and earthed.
Als wesentlicher Unterschied zum Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist bei dem Fotozellenarray der Fig. 3 oberhalb der eigent lichen Fotozelle aus den Bereichen 3, 4 und 9 eine Abdeckung 10 aus beispielsweise Siliziumdioxid vorgesehen. Diese Abdec kung 10 ist lichtundurchlässig und über eine (nicht gezeigte) Zwischenschicht auf den Bereichen 3, 4 aufgebracht.As a significant difference to the embodiment of FIG. 1, a cover 10 made of, for example, silicon dioxide is provided in the photocell array of FIG. 3 above the actual photocell from regions 3 , 4 and 9 . This cover 10 is opaque and applied to the areas 3 , 4 via an intermediate layer (not shown).
Einfallendes Licht wird durch die Spiegelschichten 6 in den Gräben 9 wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in den Be reich des PN-Überganges 2 zwischen dem P-Bereich 3 und dem N- Bereich 4 abgelenkt. Dieses einfallende Licht kann aber in folge der Abdeckung 10 nicht die PN-Isolation 5 zwischen dem N+-leitenden Buried-Layer 9 und dem Substrat 1 erreichen.Incident light is deflected by the mirror layers 6 in the trenches 9 as in the embodiment of FIG. 1 in the loading area of the PN junction 2 between the P area 3 and the N area 4 . However, this incident light cannot reach the PN insulation 5 between the N + -conducting buried layer 9 and the substrate 1 as a result of the cover 10 .
Fig. 4 zeigt ähnlich wie Fig. 2 eine Möglichkeit zur Ver schaltung der Fotozellen nach dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3. Auch hier können einzelne Fotozellen D1, D2, . . ., Dn in Reihe geschaltet werden, wobei diese voneinander durch die PN-Isolation 5 aus den Dioden isoliert sind, die durch den PN-Übergang zwischen dem Buried-Layer 9 und dem Substrat 1 erzeugt sind. Fig. 4 shows, similar to Fig. 2, a possibility for switching the photocells according to the embodiment of Fig. 3. Again, individual photocells D1, D2,. , ., Dn are connected in series, these being isolated from one another by the PN insulation 5 from the diodes which are produced by the PN junction between the buried layer 9 and the substrate 1 .
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Fotozellenarrays in einer Schnittdarstellung, bei dem anstelle von Spiegelschichten zum Schutz der PN-Isolation zwischen dem N-Bereich 4 und dem Siliziumsubstrat 1 eine Sperrschicht 11 aus beispielsweise Wolframsilizid eingesetzt wird. Diese Sperrschicht 11 reflektiert das einfallende Licht 8 zurück in den N-Bereich 4 und zu dem PN-Übergang 2. Die Be reiche 3, 4 sind bei diesem Ausführungsbeispiel in eine Wanne mit P-leitenden Seitenwänden 12 eingebettet, deren Oberseiten durch Abdeckschichten 13 aus beispielsweise Aluminium abge schirmt sind. Diese Abdeckschichten 13 wirken also ebenfalls als Spiegelschichten, wie dies in der linken Hälfte von Fig. 5 für das einfallende Licht 8 veranschaulicht ist. Die Ab deckschichten 13 verhindern damit, daß der PN-Übergang zwi schen den Seitenwänden 12 und dem N-Bereich 4 mit Licht be strahlt wird und einen Leckstrom erzeugt. Fig. 5 shows a further embodiment of the photocell array according to the invention in a sectional view, in which a barrier layer 11 made of, for example, tungsten silicide is used instead of mirror layers to protect the PN insulation between the N region 4 and the silicon substrate 1 . This barrier layer 11 reflects the incident light 8 back into the N region 4 and to the PN junction 2 . Be rich 3 , 4 are embedded in this embodiment in a tub with P-type side walls 12 , the tops of which are shielded by cover layers 13 made of aluminum, for example. These cover layers 13 thus also act as mirror layers, as is illustrated in the left half of FIG. 5 for the incident light 8 . From the cover layers 13 thus prevent the PN junction between the side walls 12 and the N-area 4 is irradiated with light and generates a leakage current.
Für die Sperrschicht 11 kann anstelle von Wolframsilizid auch ein anderes Silizid in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.Another silicide can also be used advantageously for the barrier layer 11 instead of tungsten silicide.
Das erfindungsgemäße integrierte Fotozellenarray läßt sich infolge seiner PN-Isolation wesentlich günstiger herstellen als Fotozellenarrays mit Trenchisolation. Dies ist insbeson dere darauf zurückzuführen, daß Halbleiterscheiben mit PN- Isolation wesentlich günstiger zu fertigen sind als Halblei terscheiben mit Trenchisolation.The integrated photocell array according to the invention can be produce much cheaper due to its PN insulation as photocell arrays with trench isolation. This is in particular due to the fact that semiconductor wafers with PN Insulation is much cheaper to manufacture than semi-lead washers with trench insulation.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| DE19730329A1 (en) | 1999-01-28 |
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