DE2730477A1

DE2730477A1 - Fotoempfindliche halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2730477A1
Application number: DE19772730477
Authority: DE
Inventors: Savvas Georgiou Chamberlain
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-08-23
Filing date: 1977-07-06
Publication date: 1978-03-02
Also published as: FR2363197A1; JPS5326593A; US4107722A; CA1090457A; FR2363197B1; IT1118044B

Description

Böblingen, 5. Juni 1977 heb-pi

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen d. Anmelderin: YO 976 041

Vertreter:

Patentanwalt Dipl.-Ing. H. E. Böhmer 7030 Böblingen

Bezeichnung:

Fotoempfindliche Halbleitervorrichtung

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fotoempfindliche Halbleitervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine für auffallendes Licht fotoempfindliche Halbleitervorrichtung, insbesondere eine Fotodiode mit einem weiten Empfindlichkeitsbereich, der von der Wellenlänge für blaues Licht bis zu Wellenlänge für rotes Licht reicht.

Es ist im Stande der Technik allgemein anerkannt, daß fotoempfindliche Bauelemente bei kurzen Wellenlängen, d.h. bei den Wellenlängen des blauen Lichtes, eine geringere Empfindlichkeit aufweisen, als bei den längeren Wellenlängen des roten Lichtes. Eine Möglichkeit, eine gleichförmige Empfindlichkeit über beide Wellenlängenbereiche zu erzielen, besteht darin, ein Filter oder eine ähnliche Einrichtung zu benutzen, mit dem dann die Empfindlichkeit des Bauelementes bei rotem Licht soweit herabgesetzt wird, daß sie etwa der niedrigeren Empfindlichkeit bei blauem Licht entspricht. Dies ergibt natürlich ein fotoempfindliches Bauelement, das insgesamt eine sehr geringe Empfindlichkeit aufweist. Ein Beispiel eines Bauelementes, das anstelle eines Filters so aufgebaut ist, daß es im Blaulichtbereich eine erhöhte Empfindlichkeit aufweist, ist in der US-Patentschrift 3 900 882 vom 19. August 1975 beschrieben. Das in dieser Patentschrift beschriebene fotoleitfähige Bauelement besteht aus ausgewählten Materialien, wie z.B. An, Cd, Te und In, die als HeteroÜbergang angeordnet sind und damit die bereits erwähnte erhöhte Empfindlichkeit für blaues Licht liefern. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich deutlich von dem in dieser Patentschrift offenbarten Bauelement und dem übrigen Stand der Technik darin, daß nicht besonders ausgewählte Materialien zur Bildung eines Heteroüberganges eingesetzt werden. Vielmehr wird ein Ionenimplantat und eine Phosphordiffusion zur Erzeugung eines eingebauten elektrischen Feldes benutzt, wodurch eine Ladungsträger-

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rekoiub!nation an der Oberfläche verhindert wird.

Im Stand der Technik ist es ferner bekannt, daß Fotodetektoren für Laserstrahlen in der Heise hergestellt werden können, daß man die Dotierungskonzentration der Schichten so auswählt, daß man in dem Vervielfacherübergang ein starkes verteiltes elektrisches Feld erzeugt, während im Absorber ein schwaches elektrisches Feld erzeugt wird, so daß das im Absorber vorherrschende schwächere Feld bewirkt, daß die fotoerzeugten Ladungsträger sich in Richtung auf den vervielfachenden Übergang bewegen. Ein Beispiel eines derartigen Bauelementes ist in der US-Patentschrift 3 889 284 vom 10. Juni 1975 beschrieben .

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich auch von diesem Stand der Technik dadurch, daß dieser Stand der Technik sich nicht darauf bezieht, das Ansprechverhalten einer Fotodiode bei den kürzeren Wellenlängen des blauen Lichtes dadurch zu erhöhen, daß eine flache, mit Ionen implantierte Zone geschaffen wird. Stattdessen zeigt diese Patentschrift die Zugabe von Indiumantimonid zur Verringerung der verbotenen Zone mit zunehmender Wellenlänge des zu erfassenden Lichtes.

Schließlich sei noch auf die US-Patentschrift 3 873 828 vom 25. März 1975 verwiesen. In dieser Patentschrift ist die Ionenimplantation eines aus Halbleitermaterial bestehenden optischen Detektors beschrieben, wobei hier jedoch die Implantation dazu benutzt wird, aktive Deffektzentren zu bilden, und damit die Absorptionskante zu verschieben, so daß das Substrat weniger stark absorbiert. Diese Verwendung einer Ionenimplantation unterscheidet sich eindeutig von dem Prinzip der vorliegenden Erfindung.

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Zusanunenfassung der vorliegenden Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes fotoleitfähiges Bauelement zu schaffen, das ein besseres Ansprechverhalten bei blauem Licht zeigt. Insbesondere soll das neue fotoleitfähige Bauelement eine Fotodiode enthalten, die einen verbesserten Quantenwirkungsgrad aufweist. Diese neuartige Fotodiode soll sich dabei insbesondere für Abtastvorrichtungen eignen, die in integrierter Schaltungstechnik hergestellt werden können.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer gemäß der Erfindung aufgebauten Fotodiode,

Fig. 2 das Profil der Störelementverteilung der Fotodiode gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 Kennlinien mit dem Ansprechverhalten einer

idealen Fotodiode, einer Fotodiode gemäß der Erfindung und einer handelsüblichen Fotodiode über den gesamten Betriebswellenlängenbereich.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In Fig. 1 ist schematisch eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Fotodiode gezeigt, die in diesem besonderen Beispiel aus einem p-leitenden Siliziumsubstrat 10 mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ω-cm, einer n~-leitenden Zone 12, die durch Ionenimplantation von Phosphorionen mit

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einer Konzentration von 6,5 χ 10 cm² bei 200 KeV gebildet ist mit einem sich dabei ergebenden Schichtübergang 14 und einer η -leitenden Zone 16, die durch Ionenimplantation von

14 2 Arsenionen mit einer Konzentration von 5 χ 10 cm bei 15 KeV gebildet ist, besteht, wodurch sich ein weiterer Übergang ergibt. Typische Werte für die Tiefe der Übergänge 18 und sind 500 8 bzw. 1 Mikron. An dem der einfallenden Strahlung ausgesetzten Ende des Bauelementes ist eine aus Siliziumdioxid bestehende Isolierschicht 20 vorgesehen.

Ein Ausgangskontakt 22, der beispielsweise aus Aluminium bestehen kann, ist durch eine Bohrung in der Isolierschicht zum Ableiten eines Ausgangssignals an der η -leitenden Zone 16 angeschlossen. Der Ausgangskontakt 22 kann ebenfalls unmittelbar an der η -leitenden Zone angeschlossen sein. An dem Ausgangskontakt 22 ist über ein aktives Bauelement 24, das durch ein Phasensignal angesteuert werden kann, eine Bezugsspannung squelle Vf angeschlossen. In dem hier besprochenen Beispiel beträgt die Bezugsspannung V _f angenähert 10 V.

Das Störelementprofil der in Fig. 1 gezeigten Struktur zeigt Fig. 2 mit den Einzelprofilen N_1fi(x), N₁-(X) und N , wobei diese Profile den η -leitenden, n~-leitenden bzw. p-leitenden Zonen zugeordnet sind. Das Störelementprofil N₁₈(x) erzeugt ein inneres elektrisches Feld E , das gegeben ist durch die Gleichung:

_E _ KT ι

X q * N₁₈(X) ' dx

wobei K die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und q die Elektronenladung ist.

Dieses innere elektrische Feld ist so gerichtet, daß es die durch das auftreffende Licht erzeugten Minoritätsladungsträger

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von der linken Seite der Fotodiode weg abstößt. Unterstützt durch die Diffusion und durch das innere elektrische Feld werden die Minoritäteladungsträger in Richtung auf den übergang 14 bewegt und dort abgenommen. Lichtwellenlängen von mehr als 3500 8 dringen tiefer als 500 R ein, so daß die meisten fotoerzeugten Ladungsträger von der Oberfläche abgeschirmt sind. Die niedrige Störelementkonzentration N₁₄(x) in der Zone 12 stellt sicher, daß die Lebensdauer der Ladungsträger nicht herabgesetzt wird und daß die Rekombinationsrate der Ladungsträger klein bleibt. Dadurch erhält man in der n~- leitenden Zone einer Verbesserung der Diffusion der Minoritätsladungsträger .

Wenn insbesondere Licht, wie in Fig. 1 gezeigt, auf die Endfläche der Fotodiode in Fig. 1 gerichtet wird, geben die Donatoratome (d.h. die Phosphoratome in der Zone 12 und die Arsenatome in der Zone 16) Elektronen ab, die die Zonen 16 und 12 mit einer positiven ionisierten Ladung verlassen. Die an der Oberfläche liegende Zone 16 ist dabei stärker ionisiert und daher positiver als die Zone 12. Dabei ist die Zone 16 in bezug auf die Zone 12 um etwa 6KT/2 positiver, wobei KT/2 die thermische Spannung von 0,025 V bei Zimmertemperatur ist. Die positiven Zonen stoßen die positiven fotoerzeugten Löcher in Richtung auf den Kollektorbereich ab, ue:: ?ch <*.<< uer Raumladungsschicht des Übergangs 14 befindet. Die eur .· ν .-lei-UL.,, oui.atratzone 10 stammenden Elektronen wandern natürlich auch in Richtung auf den übergang 14. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der üblicherweise in gewöhnlichen Fotodioden in der η -leitenden Zone auftretende Verlust von Ladungsträgern durch die vorliegende Erfindung dadurch klein gehalten wird, daß in der Zone 12 eine relativ geringe Konzentration von Donatorstörelementen vorhanden ist. Für ein Bauelement gemäß Fig. 1 ist die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in Zone 12 groß.

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Die Fotodiode 1 kann in Abtastvorrichtungen nach Art einer Eimerkettenanordnung benutzt werden. Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann außerdem in ladungsgekoppelten Abtastvorrichtung en rait vergrabenem Kanal durch den Fachmann jederzeit eingesetzt werden, wenn er sich der Lehren der Erfindung in Verbindung mit Fig. 1 bedient.

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L e e r s e i t e

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Fotoempfindliche Halbleitervorrichtung, insbesondere für strahlungsempfindliche Detektoren, gekennzeichnet durch ein p-leitendes Substrat (10), an das sich unter Bildung eines ersten Schichtüberganges (14) eine n~-leitende Zone anschließt, ferner durch eine sich daran anschließende, einen zweiten Schichtübergang (18) bildende Oberflächenschicht, woraus sich insgesamt eine Zonenfolge η -n~-p ergibt, wobei die n"~-leitende und die η -leitende Zone (12, 16) in Abhängigkeit von auffallender Strahlung Minoritätsladungsträger erzeugen sowie durch ein durch die Auswahl der Störelementkonzentration in diesen beiden Zonen erzeugtes inneres elektrisches Feld, das so gerichtet ist, daß die Minoritätsladungsträger sich von der Oberflächenschicht (16) weg in Richtung auf den ersten Schichtübergang (14) bewegen.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die η -leitende Z
lierschicht (20) überzogen ist.

zeichnet, daß die η -leitende Zone (16) von einer Iso-

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) aus mit Akzeptor-Storelementen dotiertem Silizium besteht.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die η -leitende Schicht mit Phosphor dotiert ist.

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die η -leitende Zone mit Arsen dotiert ist,

6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch.4, dadurch gekennzeichnet, daß die η -leitende Zone mit Phosphor dotier ist.

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ORIGINAL INSPECTED