DE2025476A1

DE2025476A1 - Photodiode

Info

Publication number: DE2025476A1
Application number: DE19702025476
Authority: DE
Inventors: Robert John Pointe Ciaire Spngings Howard Charles Chateauguay Quebec Mclntyre (Kanada) HOIj
Original assignee: RCA Inc
Current assignee: RCA Inc
Priority date: 1969-09-26
Filing date: 1970-05-25
Publication date: 1971-04-15
Also published as: CA879979A; US3714491A; JPS5023793B1; GB1265926A

Description

7035-70/Dr.v.B/Elf
,RCA 61,984

CD-PA 63,303

filed: September 26, I969

RCA LIMITED,

2001 North Service Road, Trans-Canada Highway Ste. Anne De Bellevue, 810, Quebec (Canada)

Photodiode

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photodiode, insbesondere j eine pin-Quadranten-Photodiode zum Verfolgen der Lage eines iLichtbündels, das über die Diode wandert, mit einem Substrat, das aus einem HL-Material hohen spezifischen Widerstandes eines vorgegebenen Leitungstyps besteht und zwei entgegengesetzte im wesentlichen ebene Seiten hat, einer an die eine Seite angren-

i ·

zenden und sich im wesentlichen ganz über diese Seite erstreckenden Zone aus einem HL-Material, und zwei auf der anderen Seite j des Substrats angeordneten Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps, die nahe benachbarte, durch einen schmalen Zwischenraum getrennte Ränder haben.

Die bekannten pin-QuadraKfcen-Photodioden, die zum Verfolgen eines fokussierten Lichtbündels dienen, das über die Oberfläche der Diode wandert, enthalten im allgemeinen ein ebenes Substrat aus p-Silicium hohen spezifischen Widerstandes (über 10 kOHm cm) mit einer p-leitenden Anodenzone, die über die eine Seite reicht und vier quadrantenförmigen n-leitenden Elektroden auf der anderen Sexce des Substrats. Wenn ein fokussierter Lichtfleck über die Anode wandert, geht das Signal von einer der quadrantenförmigen Elektroden auf die nächste über. Die Steilheit dieses Überganges bestimmt das Positionsauflösungsvermögen der Diode. Bisher hing dieses vom Abstand zwischen den benachbarten Quadrantenelektroden

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jund dem optischen übersprechen sxtischen ihnen ab„

Der Einfluss des Abstandes der benachbarten Quadrantenelektroden Jaus das PositionsaufISsungsveraögen kann durch Verkleinerung des Abstandes sswisehen den benachbarten Quadranten verringert werden. !Es ist möglich, den Abstand zwischen den benachbarten Quadranten

auf.einen Effekfcivuert von unter 100 ,im. herabzusetzen ₉ was op- !tisch durch Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von"0,9/um bestimmt wird«. Für Lieht grösserer Wellenlänge_s g_oB„ l_s06 «um ₉ iwird das Positionsauflösungsvermögen jedoch dmrcls das optische übersprechen zwischen den Quadranten begrenzt _B da der Absorptions- koeffizient von Silicium bei solchen langen Wellenlängen verhält¹= - nisraässig klein ist uhö ©in erheblicher Teil der einfallenden ; I . " i

!Strahlung dl© die Qu&draotenelektroden toag©K©l© Seite der Diode erreicht und von dieser reflektiert wirdο"Da Photodiode^ dieser ,Art normalerweise mit optischen Systemen verhältnismässig grossser[

relativer öffnung (niedriger Blendensahl) verwendet x-jerden_s diver- ; giert der auf di@ Anodenoberflä©he fokussiert© Strahlungskegel ; innerhalb der Diode wieder _o Es lässt sieh abschätzen_s daß das '· Positionsauflösungsvermögen b©i einem optischen System mit der Lichtstärke fsl durch das übersprechen auf etwa, 250 λμγ begrenzt .wird.. . ^:

■Der vorliegenden Erfindung liagt dement sprechend, öl© Aufgabe zu- \ grund©5, das optisch® übersprechen suischen den HäÄen oder Quadrant ten einer Photodiode aussugchalten ©der zumindest; breitest gehend ! su beseitigen , um das PositionsauflösungsveraOgen der Diode zu j .verbessern«

Gemäss der Erfindung wird dies bei einer Photodiode mit einem | Substrat, das aus einem Halbleitermaterial hohen spezifischen < Widerstandes eines vorgegebenen Leitungstyps und zwei entgegen- ^; gesetzte ebene Seiten hat» eine an die eine Seite angrenzenden ,und sich im wesentlichen gang? über diese Seit© erstreckenden

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Zone aus einem Halbleitermaterial des vorgegebenen Leitungstyps und zwei auf der anderen Seite des Substrats angeordneten Zonen des entgegengesetzten Leitungd>typs, die nahe benachbarte, durch einen schmalen Zwischenraum getrennte Ränder haben, dadurch gelöst, daß die an die Zone des vorgegebenen Leitungstyps angrenzende Seite des Substrats eine V-förmige Nut aufweist, die dem Zwischenraum zwischen den Rändern der beiden Zonen entgegengesetzten Leitungstyps direkt gegenüber liegt und in Längsrichtung dieses Zwischenraumes läuft.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf die eine Seite einer Photodiode gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 2 einen Querschnitt in einer Ebene 2-2 der Figur i; Figur 3 eine perspektivische Ansicht der Photodiode gemäss Figur ;mit deren anderer Seite;

Figur H einen Querschnitt durch einen Teil der Photodiode in !vergrössertem Haßstab;

Figur 5 eine graphische Darstellung der längs der Ordinate in willkürlichen Einheiten aufgetragenen Ausgangssignale der Photodiode als Funktion des von einem Bezugspunkt gerechneten, längs der Abszisse aufgetragenen Abstand eines Lichtfleckes für eine typische Photodiode gemäss der Erfindung, und

Figur 6 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform diner Photodiode gemäss der Erfindung.

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Beispiel 1

I Die in den Figuren 1

'Erfindung dargestellte Photodiode 10 enthält ©in j

,Substrat 12j das aus einem Halbleitermaterial hoben speafischen j Widerstandes besteht und zwei entgegengesetzt© ebene Saiten hat/ ' Typischerweise besteht das Substrat 12 aus p^Silieiufas dessen spe

l'zifischer Widerstand grosser als 10 000 0hm am ist ₀ Wie aus den i
Figuren 2 und 3 ersichtlich iat_s igelst die eine ebene Seite des Substrats 12 swei Nuten 14 mit V-förmigem Querschnitt auf« Sie Nuten erstrecken sich diametral über te® Substrat 12 und kreusen j sich unter einem rechten Winkel»

An der die Nut aufweisenden Seite aes Substrates 12 befindet sich eine dünne p-leitend© Zone 16 _r die sich gang über dies© Seite und über die Oberflächen der Muten 14 erstreckt» Di© p-Zone 16 bildet die Anode der Diode 10_o An der"anderen Seit© das Substrats 12 befinden sich Tier quadrantenföriaige _P umleitende Zonen 18» Die quadrantenförmigen Zonen 18 sind in einem Kreis so angeordnet ₉ daß die geraden Ränder jedes Quadranten in nahes Abstand won den geraden Rändern"" der b©nashbart@n Quadranten verlaufen» Itfie ins= besondere Figur 2 seigt_s sind di© quadrantenförmigen'Zonen 18 so angeordnet _s daß die Zuiüels©m»äiÄ© süii©h©o ite©n geraden Rän° der« den Nuten 14 im Swbstrst direkt g©genöb©r liegen und in deren Längsrichtung verlaufen= Di© %wi&©h®n%>äV!m® EW±BQh®n. ä©n Rändern der QuadFantera gehen also radial von ©ineaa einzigen"" Punkt ₉ der Mitte der grossen Seitenfläela® des Substrats 12 aüs'_s der dem Kreu·=» zungspunkt der Muten 14 direkt ©ntg©geng©setst isto Auf der glei·= chen Seit© des Substrats 12 wie di© Q«adrantenZoii@n 18 befindet SiGh noch ©in® schmale_a ringförmige₉ rleitend© Sohutsringsone 2O₀ Die Setotaringsone 20 umgibt" di© Quad^anteEBion^ia 18 mit ©insu ge= wissen Abstände Die OberfMoh© der Quadrantenaonen 18 und des ' " jSchutSFxnges 20 sind mit @in©r Schicht 22 aus einem liehtreflek-' 'tierenäen Material_s uie- Aluminiuiip öbergog©n_o Di© p-Zone 16 ist mit einer Antireflexionsschicht 2H₃ ^B. einer dünnen Schicht

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aus Siliziumdioxid, Überzogen. Die optische Dicke der Siliciumdioxidschicht 24 beträgt vorzugsweise eine Viertelwellenlänge der wahrzunehmenden Lichtstrahlung.

Bei der Herstellung der Photodiode 10 geht man von einem ebenen Substrat aus p-leitendera Halbleitermaterial, wie Silicium, hohen spezifischen Widerstandes, aus. In der einen Seite des Substrats werden dann die im Querschnitt V-förmigen Nuten Ik gebildet, was durch Läppen, Schleifen, Ätzen oder Ultraschallschneiden mit einem keilförmigen Werkzeug geschehen kann. In die mit den Nuten versehene Seite des Substrats wird dann ein Akzeptor, z.B. Bor, eindiffundiert , um die p-leitende Anodenzone 16 zu erzeugen. In die andere Seite des Substrats wird ein Donator , wie Phosphor, eindiffundiert, um die η-leitenden Quadrantenzonen 18 und die Schutzringzone 20 zu bilden. Die Eindiffusion der Dotierungsstoffe kann in bekannter Weise durchgeführt werden, beispielsweise kann das Substrat auf den jeweiligen Oberflächen mit einem den gewünschten Dotierungsstoff enthaltenden Material überzogen und dann zum Eindiffundieren der Dotierungsstoffe erhitzt werden, oder die Dotierungsstoffe können in das Substrat aus einem die Dotierungsstoffe enthaltenden Gas eindiffundiert werden. Je nach dem verwendeten Diffusionsverfahren können die beiden verschiedenen Dotierungsstoffe gleichzeitig oder nacheinander ^!in das Substrat eindiffundiert werden. Nach der Diffusion werden 'die Quadrantenzonen'18 und die Schutzringzone 20 in der durch '-, die Diffusion erzeugten η-Zone gebildet. Hierzu kann die Oberflä-I ehe der diffundierten η-Zone mit einer Maskenschicht aus Siliciumj dioxid überzogen werden und in der Maskenschicht können öffnun- !gen entsprechend den Zwischenräumen zwischen den Quadrantenzonen j und dem Zwischenraum zwischen letzteren und der Schutzringzone I mittels üblicher photolithographischer Verfahren gebildet werden. Die freigelegte Fläche der η-Zone wird dann zur Bildung der Quadrantenzonen und der Schutzringzone weggeätzt. Anschlieseend werden die lichtreflektierende Schicht 22 und die Antireflexionsschicht 24 im Vakuum auf die Quadrantenzonen 18 und die

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Schutzringzone 20 bzw. die p-Zone 16 aufgedampft.

Bei der Benutzung der Photodiode Ip wird ein Lichtfleck auf die p-leitende Anodenzone 16 fokussiert und über diese abgelenkt. Dabei entstehen Elektronen-Löeherpaare, von denen die Löcher von der gemeinsamen Anode 16 und die Elektroden durch die Quadrantenelektroden 18 gesammelt werden« Durch Messung des Ausgangsstromes der Quadrantenelektroden 18 kann die Lage des Lichtbündels bestimmt werden. Solange das Lichttoündel über einen Teil der p-leitenden Anodenzone 16 wandert, der sich zwischen den Nuten Ik befindet, werden die Elektronen der durch die einfallende Licht- j strahlung erzeugten Elektroae!a-Locii-Paai?e durch diejenige Quadrant tenelektrode 18a (Figur 4) gesammelt, die sich direkt gegenüber dem Auftreffpunkt des doreh die Linie 26 in Figur'4 dargestellten Lichtbündels befindet. W©im das Lietatbitadel dann zur Nut 14 _; wandert und auf die schräge Seitenwand dieser Mut auffällt, wird ; es zu der Quadrantenelektrode 18a hin gebrochen, wie die Linie in Figur 4 zeigt. Wandert das Lichtbündel dann weiter zur anderen Seitenfläche der Nut 14, so wird das auf diese andere schräge Seitenfläche auftreffende tichtbündlel zur benachbarten Quadrantenelektrode 18b hin gebrochen, wie die Linie 30 in Figur 4 zeigt. Das auf eine Seite der NUt auftreffende Licht erzeugt also Elektronen, die alle durch die dieser Seite zugeordnete Quadrantenelektrode gesammelt werden, so daß kein tibersprechen zur benachbarten Quadrantenelektrode eintreten kam* Die Breite und Länge der Nuten 14 sind nicht wesentlich, solange die Seitenwände der ; Nuten so geneigt sind, daß das auffallende Licht zur richtigen Quadrantenelektrode hin gebrochen wird.

Das Diagramm in Figur 5 zeigt die Ausgangssignale zweier benachj barter Quadrantenelektroden einer Photodiode IO beim Abtasten der p-leitenden Anode durch ein Lichtbündel. Das Lichtbündel hatte eine Wellenlänge von 1,06 ,um , einem Durchmesser von 100^um j und wurde auf die Photodiode durch ein optisches System mit

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der öffnung f:2 fokussiert. Die Ausgangssignale von zwei benachbarten Quadrantenelektroden wurden getrennt gemessen, während das Lichtbündel über die Photodiode wanderte. Das Ergebnis ist in Figur 5 graphisch dargestellt. Das Ausgangssignal jeder Quadran- , tenelektrode umfasst drei Bereiche:

Von links nach rechts betrachtet ist das Ausgangssignal im er- , sten Bereich konstant, hier fällt das Lieht ganz auf eine ebene Oberfläche der p-leitenden·Anode. Im nächsten Bereich steigt das \ Ausgangssignal an, dies tritt ein, wenn der Lichtfleck über die j schräge Seitenfläche einer Nut wandert. Das Ansteigen des Aus- j gangssignals beruht auf einer Erhöhung des Quantenwirkungsgrades, j die dadurch eintritt, daß das auf die Seitenfläche der Nut auffallende Licht im Inneren der Diode totalreflektiert und eingefangen wird. Im dritten Bereich, der dem übergang des Lichtfleckes! von der einen Seite der iJut zur anderen entspricht, fällt das Ausgangssignal stark ab. Beim übergang des Lichtflecks von der . einen Seite der Nut zur anderen nimmt gleichzeitig das Ausgange™ \ signal der benachbarten QuadrantenelektiOde au. Die gestrichelt© I Linie - in Figur 5 zeigt den Verlauf der Summe der Ausgangssignale der beiden benachbarten Quadrantenelektroden, während der Lichtfleck über den Grund der Nut wandert. Das Summensignal am Grund der Nut entspricht etwa dem Signal für die ebene Fläche der p-leitenden Anode. Aus Figur 5 kann entnommen werden, daß das effektive Auflösungsvermögen der Photodiode etwa 100 ,um beträgt, was im wesentlichen durch den Durchmesser des Lichtbündels bestimmt wird, der links im Diagramm eingezeichnet ist. Ein Skalenteil der Abszisse entspricht bei dem Diagramm gemäss Figur 5 einer Strecke von 25 »um. Das Auflösungsvermögen der Photodiode ist also ebensogut wie das der bekannten Photodioden bei Verwendung von Licht kürzerer Wellenlänge.

Beispiel 2

Figur 6 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung

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eine Photodiode 10' , bei deren Herstellung man von einem ebenen Substrat 12· aus einem p-leitenden Halbleitermaterial, z.B. Silicium hohen spezifischen Widerstandes ausgeht. In der einen Seite des Substrats 12' werden zwei V-förmige Nuten 14' gebildet, wie es oben beim Beispiel 1 erläutert worden ist. In die genutete Oberfläche des Substrats wird ein Akzeptor, wie Bor,, eindiffundiert, um eine dünne, p-leitende Anodenzone 16' zu erzeugen. Die andere Seite des Substrats wird mit einer Maskenschicht 32 aus Siliciumdioxid überzogen. In der Maskenschicht 32 werden photolithographisch öffnungen gebildet, deren Grosse, Form und Lage den zu bildenden Quadrantenzonen und der Schutzringzone entsprechen. In die freigelegten Bereiche der maskierten Oberfläche des Substrats wird dann ein Donator, wie Phosphor, eindiffundiert, um die Quadrantenzonen 18' uM die Schutzringzone 20' zu bilden. Auf die Quadrantenzonen 18' wird dann ein lichtreflektierender Film 22' aufgebracht und die p-leitende Anodenzone 16· wird mit einer Antireflexionsschicht 24' überzogen. Die Photodiode 10' arbeitet in der gleichen Weise wie die oben beschriebene Photodiode 10.

Die beschriebene Photodiode 10 hat ein p-leitendes Substrat, eine |

p-leitende Anodenzone und η-leitende Quadranten- und Schutzring- ! zonen, selbstverständlich können die vorliegenden Photodioden i auch ein η-leitendes Substrat hohen spezifischen Widerstandes, eine η-leitende Anodenzone und p-leitende Quadranten- und Schutz-, ring-Zonen enthalten.Eine solche Photodiode kann in der gleichen Weise hergestellt werden, wie es oben beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß man von einem Substratscheibchen aus einem η-leitenden Halbleitermaterial hohen spezifischen Widerstandes ausgeht, in die genutete Sei.te des Substrats einen Dotierungsstoff vom n-Typ , wie Phosphor, eindiffundiert, um die Anodenzone zu bilden und einen Dotierungsstoff vom p-Typ, wie Bor, in die andere Seite des Substrats eindiffundiert, um die Quadrantenzonen und die Schutzringzone zu bilden.

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Claims

■■■"2D2FA76" Patentansprüche

1.)/ Photodiode mit einem Substrat, das aus einem Halbleiter-

material hohen spezifischen Widerstandes eines vorgegebenen Leitungstyps besteht und zwei entgegengesetzte , im wesentlichen ebene Seiten hat, einer an die eine Seite angrenzenden an sich im wesentlichen ganz über diese Seite erstreckenden Zone aus einem Halbleitermaterial des vorgegebenen Leitungstyps, un d zwei auf der anderen Seite des Substrats angeordneten Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps, die nahe benachbarte , durch einen schmalen Zwischenraum getrennte Ränder haben, dadurch gekennzeichnet , daß die an die Zone (16) des vorgegebenen Leitungstyps angrenzende Seite des Substrats (12) mindestens eine V-förmige Nut (I¹O, aufweist, die dem Zwischenraum zwischen den Rändern der beiden Zonen (18; 18a, 18b) entgegengesetzten Leitungstyps direkt entgegengesetzt ist und längs dieses Zwischenraumes verläuft.

2.) Photodiode nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet , daß sich die Zone (16) des vorgegebenen Leitungstyps sowohl über die ebene Fläche der Seite des Substrats

j (12) als auch Über die Oberfläche der Nut (14) erstreckt.

3.) Photodiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Zonen (18) entgegengesetzten Leitungstyps mit einer Schicht (22,22') aus einem lichtreflektierenden Material überzogen sind.

4.) Photodiode nach Anspruch 1, 2 oder 3»dadurch g e ! kennzeichnet, daß die Zone des vorgegebenen Leitungs- : typs p-leitend und die beiden Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps η-leitend sind.

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5.)Photodiode nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone des vorgegebenen Leitungstyps η-leitend ist und daß die beiden Zonen entgegengesetzten Leitungstyps p-leitend sind.

6.) Photodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der anderen Seite des Substrats vier Zonen aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet sind, die jeweils zwei durch einen engen Zwischenraum getrennte benachbarte Ränder aufweisen und daß die eine Seite des Substrats eine Anzahl von V-förmigen Nuten aufweist, die den Zwischenräumen zwischen den Rändern der vier Zonen direkt entgegengesetzt sind, und längs diesen verlaufen.

7.) Photodiode nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenräume zwischen den Rändern der vier Zonen (18) von einem gemeinsamen Punkt auf der anderen Seite des Substrats ausgehen.

8.) Photodiode nach Anspruch 7, d a du r c h gekennzeichnet , daß die eine Seite des Substrats zwei sich unter einem rechten Winkel kreuzende , im Querschnitt V-förmige Nuten (11) aufweist.

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