DE2440325A1

DE2440325A1 - Lichtempfindlicher transistor

Info

Publication number: DE2440325A1
Application number: DE2440325A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Rer N Schloetterer; Jenoe Dipl Phys Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-08-22
Filing date: 1974-08-22
Publication date: 1976-03-11

Description

Lichtempfindlicher Transistor.
Die Erfindung betrifft einen lichtempfindlichen Transistor aus einem Halbieiter1örper mit einem ersten Gebiet vorgegebenen Leitfähigkeitstyps, einem zweiten, von dem ersten getrennt liegenden Gebiet des gleichen Leitfähigkeitstyps und mit einem zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet liegenden dritter. Gebiet von anderem Leitfähigkeitstyp, wobei der Halbleiterkörper so ausgebildet und angeordnet ist, daß Licht in das zweite Gebiet eindringen kann.
Lichtempfindliche Transistoren (Fototransistoren) sind seit langer Zeit in der Halbleitertechnik bekannt und werden as Lichtsensoren in Schaltungen eingesetzt. Aufgrund der räumlichen Dimensionen der üblichen Fototransistoren sind diese um Einsatz in der Mikroeledtronik irnd für die Herstellung Yon integrierten Schaltungen nur wenig geeignet. Aus diesem Crunde enthalten integrierte Schaltungen als Lichtsensoren häufig lichtempfindliche Diodeii Solche Dioden hat bei gegenüber Fototransistoren des Nachteil, daß sie eine wesentlich geringere Empfindlichkeit für das eingestrahlte Licht aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Fototransistor anzugsben, der kleinflächig und un einer integricrten Schaltung aufgebaut werden kann. Diese Aufgabe wird für einen lichtempfindlichen Transistor des eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß dC:.r Halbleiterkörper eine auf einem iselerenden Träger epitaxial. abgeschiedene, inselförmige Silizium schiebt ist , in der als er0:te Gebiet ein Source-Gebiet und als zweites Gebiet ein Drain-Gebiet vorhanden sind, die durch das, den übrigen Teil der Siliziumschicht bildende Substrat voneinander getrennt sind, daß auf der Siliziumschicht eine Isolierschicht aufgebracht ist, und daß auf dieser Isolierschicht eine Metallschicht als Gateelektrode aufgebracht ist, und daß in das Substrat von der Seite des isolierenden Trägers her einfallendes Licht eindringen kinn.
Mit einem solchen Aufbau wird ermöglicht, einen lichtempfindlichen Transistor kleinflächig und in einer MOS-Technik oder ESi?I-Technik (epitaxiale Siliziumfilme auf isolierende Substrat) herzustellen.
Der Aufbau eines solchen lichtempfindlichen Transistors entspricht dem Aufbau eines MOS-Transistors, jedoch mit dem wesentlichen Unterschied, daß das Substrat ohne elektrischen Anschluß ist und es während des Betriebes des Transistors nicht auf ein festes Potential gelegt wird. Der Vorteil eines so aufgebauten Transistors besteht darin, daß bei Lichteinstrahlung in das Substrat dort Ladungsträger ausgelöst werden und daß durch diese Ladungsträger das Potential des Substrats so verändert wird, daß die Einsatzspannung des Transi stors herabgesetzt wird und damit der Source-Drain-StroI: ansteigt.
Vorteilhafterweise ist der Transistor so aufgebaut, daß der isolie:ende Träger 1 und seine Grenzflächen lichtdurchlässig sind. Mit einem solchen Aufbau wird erreicht, daß das Licht durcll eine Grenzfläche des Halbleiterbauelementes einfällt, die keine Leiterbahnen und/oder Gateelektroden enthält.
Weiterhin können bei einem solchen Aufbau die Leiterbahnen und Gateelektroden dicht benachbart lietgen, ohne daß zwischen diesen freie, für die Lichteinstrahlung vorgesehene Flecken vorhanden sein müssen. Auf diese Weise läßt sich insgesamt eine hohe Packungsdichte solcher lichtempfindlichen Transistoren in einer integrierten Schaltung erreichen.
Vorteilhafterweise be steht der isolierende Träger aus Saphir.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung besteht der isolieronde Träger aus Spinell. Vorteilhafterweise ist das Substrat mit einer Ladunsträgerdichte zwischen 1015 und 1017 Ladungsträgern pro cm3 dotiert (n- und p-Ladungsträger).
Dieser Bereich ist günstig, weil bei einer Ladungsträgerkonzentration unter 1015 pro cm3 die Änderung der Einsatzspannung bei Lichteinstrahlung nur sehr gering ist. Beträgt die Ladungsträgerkonzentration mehr als 1017 pro cm3, so ist die Einsatzspannung des Transistors selbst so groß (> 10 V), so daß sich der Transistor nicht mehr zum Einsatz in integrierten Schaltungen eignet.
Vorteilhafterweise ist ein erfindungsgemäßer lichtempfindlicher Transistor in einer Lichtdetektor-Matrix integriert aufgebaut.
Im folgenden wird ein erfindungsgemäßer Transistor beschrieben und anhand der Figuren näher erläutert, wie er aufgebaut ist und wie er in verschiedenen Schaltungen betrieben wird.
Fig.1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Transistor, Fig. 2a zeigt ein Schaltbild einer Matrix mit einem erfindungsgemäßen Transistor Fig.2b zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein mit einem erfindungsgemäßen Transistor ausgestaltetes Element einer Matrix, Fig.2c zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine integriert aufgebaute Matrix mit erfindungsgemäßem Transistor, Fig.3 zeigt ein Ersatzschaltbild, anhand dessen das elektrische Verhalten des erfindungsgemäßen Transistors erklärt werden soll, Fig.4 zeigt die Abhängigkeit des Drain-Stromes von der Gatespannung, wobei die Kurve 1 die Abhängigkeit ohne Licht einfluß, die Kurve II die Abhängigkeit bei Lichteinstrahlung angibt, Fig.5a, zeigen Prinzip-Schaltungen mit einem erfindungsgemäßen 5b, 5cTransistor.
Fig.1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen lichtempfindlichen Transistors. Auf einem durchsichtigen Isolator 1, der z.B. aus Saphir oder aus Spinell besteht, ist eine epitaxiale Siliziumschicht 2 inselförmig aufgebracht.
Diese epitaxiale Schicht 2 weist zwei Gebiete 3 und 4 auf, die hoch n-dotiert sind, mit einer Trägerkonzentration größer 1019 Ladungsträger pro cm3. Der übrige Teil dieser epita xialen Siliziumschicht, der im folgenden auch als Substrat 5 bezeichnet wird, ist gegenüber dem Source- und Drain-Gebiet entgegengesetzt dotiert mit einer Trägerkonzentration von etwa 2 1016 Ladungsträgern pro cm3. Seitlich der epitaxialen Siliziumschicht 2 befindet sich auf dem Isolator 1 eine elektrisch isolierende Schicht 9, die beispielsweise aus SiO2 oder Si 3N4 besteht. Auf dieser epitaxialen Siliziumschicht befindet sich eine Isolierschicht 6, die beispielsweise aus 5102 oder SiN4 besteht und beispielsweise eine Dicke von etwa 100 nm hat. In dieser Isolierschicht befinden sich Kontaktlöcher, durch die hindurch mittels eines metallischen Leiters 7 die Source- bzw. Drain Elektrode kontaktiert ist. Auf der Isolierschicht 6 befindet sich ferner eine Metallschicht 8, die die Gateelektrode darstellt.
Fig.2a zeigt in einem Schaltbilds wie in einer integrierten Schaltung ein erfindungsgemäßer lichtetpfindlicher Transistor 21 zusammen mit einem weiteren Schalttransistor 22 zu einem Element 20 einer Matrix an einer Wort- und Bit-Leitung angesch]ossen rnt. In Fig.2b ist schematisch und usschnittsweise eine Draufsicht auf ein solches Element 20 einer Matrix dargestellt. Fig.2c zeigt eine Matrix mit einzelnen Elementen, die einen erfindungsgenäßen Transistor enthalten Die Wort-Leitung 23 besteht aus einer Aluminium-Leiterbahn, die über den Gatebereich 26 des Schalttransistors 22 läuft und damit gleichzeitig die Gsteelektrode darstellt. Die Bit-Leitung 24 besteht aus einer hoch n-dotierten Bahn in der epitaxialen Siliziumschicht. Sie ist mit der Source-Elektrode 27 des Schalttransistors 22 verbunden. Eine Leiterbahn 25 aus Aluminium stellt den Kontakt zur Gateelektrode 28 und zu der Source-Elektrode 29 des lichtempfinlichen Transistors dar. Sie ist gleichzeitig eine Masseleitung.
Die Fläche des gesamtem Matrixelementes beträte etwa 40.40(µm)2 Das Verhalten des erfindungsgemäßen Transistors kann anhand des Ersatzschaltbildes der Fig.3 verdeutlicht werden. Mit 31 ist der KOS-Transistor bezeichnet. Das Verhalten des Transistors bei Lichteinstrahlung kann dadurch symbolisiert werden, daß zwischen der Drain-Elektrode 52 und dem Substrat eine Diode 33 geschaltet ist, durch die bei Lichteins-trahlung ein wesentlich höherer Strom als ohne Licht fließt. Der durch diese Diode fließende Strom wird von dem MOS-Transistor 31 verstärkt und führt zu einer Erhöhung des durch die Source Elektrodenleitung 34 fließenden Stromes.
In Fig.4 ist die Abhängigkeit des durch die Drain-Elektrode fließenden Stromes Id von der Gatespannung UG dargestellt.
Die Kurve I bezeichnet dabei eine Abhängigkeit, die vorliegt, wenn keine Lichteinstrahlung auf den Transistor stattfindet, die Kurve II bezeichnet die Abhängigkeit bei Einstrahlung von Licht in das Substratgebiet des Transistors. Die Lage der Kurve II ist daboi abhängig von der Stärke des eingestrahlten Lichtes. Bei einer Gatespannung UT2UG<UT1 ist der ESEl Transistor ohne Beleuchtung gesperrt.
Mögliche Anwendungsfälle eines erfindungsgemäßen Transistors sind in den Fig.5a, 5b und 5c gezeigt. Dabei bezeichnet 41 jeweils den lichtempfindlichen erfindungsgemäßen Tranistor.
42 bezeichnet die Gateelektrode des Transistors, 43 einen Widerstand. Die Schaltpunkte 4 liegen auf Massepotential.
Die Versorgungsspannung der Anordnungen wird an die Schaltpunkte 44 gelegt. Das Ausgangssignal wird jeweils an den Schaltpunkten 46 abgenommen. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transistors ist ein Transistor, bei dem ohne Licht die Einsatz spannung positiv, mit Licht gctlv ist, also der belichtete Transistor bei UG = O schon Strom leitet, der unbelichtete Transistor aber gesperrt ist.
Eine solehe Struktur kann hergestellt werden mit einer Substratdotierung von 3.1015<p<1016 pro cm3. Hierbei be zeichnet p die Akzeptorkonzentration.
6 Patentansprüche 5 Figuren

Claims

Patentansprüche 1. Lichtempfindlicher Transistor aus einem Halbleiterkörper mit einem ersten Gebiet vorgegebenen Leitfähigkeitstyps, einem zweiten, von dem ersten getrennt liegenden Gebiet des gleichen Leitfähigkeitstyps und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet liegenden dritten Gebiet von anderem Leitfähigkeitstyp, wobei der Halbleiterkörper so ausgebildet und angeordnet ist, daß Licht in das zweite Gebiet eindringen kann, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß dc-r Halbleiterkörper eine auf einem isolierenden Träger (i) epitaxial abgeschiedene, inselförmige Siliziumschicht (2) ist, in der als erstes Gebiet ein Source-Gebiet (3) und als zweites Gebiet ein Drain-Gebiet (4) vorhanden sind, die durch das, den Übrigen Teil der Siliziumschicht bildende Substrat (5) voneinander getrennt sind, daß auf der Siliziumschicht eine Isolierschicht (6) aufgebracht ist, und daß auf dieser Isolierschicht eine Metallschicht als Gateelektrode (8) aufgebracht ist, und daß in das Substrat von der Seite des isolierenden Tragers her einfallendes Licht eindringen kann.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e 1 c hn e t , daß der isolierende Träger (1) und seine Grenzflä chen lichtdurchlässig sind.
3. Transistor nach anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der isolierende Träger (i) aus Saphir besteht.
4. Transistor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der isolierende Trager (1) aus Spinell besteht.
5. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Substrat (5) mit einer Ladungsträgerdichte größer als 1015 und kleiner als 1017 Ladungsträgern pro cm3 dotiert ist.
6. Verwendung eines Transistors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer integrierten Schaltung, insbesondere in einer Lichtdetektor-Matrix. Leerseite