DE2849511A1 - Photodetektor-anordnung - Google Patents
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Description
Int. Az.: Case J237 18. September 1978
Hewlett-Packard Company
PHOTODETEKTOR-ANORDNUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photodetektor-Anordnung gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Photosensoren werden seit einiger Zeit für optische Abbildungszwecke
benutzt. Dabei werden sowohl ladungsgekoppelte Vorrichtungen als auch Photodioden verwendet, um die in einem Halbleitermaterial durch Lichteinwirkung
erzeugten Ladungsträger einzusammeln. In beiden Bauelementtypen
ist jedoch die erreichbare räumliche Auflösung dadurch begrenzt, daS die durch Lichteinwirkung erzeugten Ladungsträger innerhalb des
Halbleitermaterials diffundieren, auch wenn die anderen Komponenten des optischen Systems optimiert sind und das Streulicht reduziert ist.
Dies kommt daher, daß ein durch Lichteinwirkung erzeugter Ladungsträger unter einem Sensor um einen beträchtlichen Weg im darunterliegenden
Halbleitersubstrat diffundieren kann, so daß er im Raumladungsbereich eines beabstandeten Sensors eingesammelt werden kann, so
daß ein Fehl signal entsteht. Diese Art von Interaktion kann mit "Nebensprechen"
bezeichnet werden, analog zu den ungewollten Interaktionen in Kommunikationssystemen. Ein solches optisches "Nebensprechen" zwischen
Photosensor-Elementen begrenzt die räumliche Auflösung des Sensorfeldes.
Eine Möglichkeit zur Reduzierung dieses "Nebensprechens" ist in der
US-PS 4 025 943 beschrieben. In dieser Anordnung ist eine dünne Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps extern in Bezug auf ein Substrat des
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgespannt, so daß verhindert wird, daß Ladungsträger zu beabstandeten Photosensoren wandern. Die
Benutzung dieser Vorrichtung ist jedoch dadurch kompliziert, daß eine externe Versorgung für die Vorspannung vorgesehen werden muß. Außerdem
macht die Anwesenheit von Schichten verschiedener Leitfähigkeitstypen über die gesamten Oberfläche diese Struktur weniger kompatibel für die
Integration anderer Schaltelemente in dasselbe Halbleiterplättchen.
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Hewlett-Packard Company
Int.Az.: Case 1237
Int.Az.: Case 1237
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photosensor-Anordnung
zu schaffen, bei der ein gutes räumliches Auflösungsvermögen erreicht
wird, ohne daß eine zusätzliche äußere Spannungsversorgung erforderlich
ist. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß sind unter der Oberfläche des Halbleiterkörpers elektrische
Felder vorhanden, die die durch Lichteinwirkung erzeugten Ladungsträger derart zur Oberfläche oder von ihr weg beschleunigen, daß
die Ladungsträger-Diffusion zu beabstandeten Photosensor-Elementen minimiert
wird. Die Felder unter der Oberfläche werden dadurch erzeugt, daß in der Gesamtstruktur geeignete Dotierungs-Konzentrationsgradienten
gebildet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Feld unter der Oberfläche
dadurch gebildet, daß eine stark dotierte "vergrabene" Schicht und ein schwach dotierter Epitaxialfilm über einem schwach dotiertem
Substrat angeordnet sind, wobei alle vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind. Diese Struktur läßt sich leicht kompatibel machen für den Einbau
anderer Halbleiterbauelemente auf demselben monolitischen Substrat, indem die räumliche Ausdehnung der "vergrabenen" Schicht begrenzt wird.
Die Erfindung läßt sich sowohl bei einem Photodiodenfeld auf einem integrierten Silizium-Schaltkreis anwenden, als auch bei anderen Typen von
Photosensor-Anordnungen^z.B. ladungsgekoppelten Anordnungen (CCD).
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen
Figur 1 einen Querschnitt eines üblichen Photodioden-Feldes mit einem
gleichförmig dotierten Substrat;
Figur 2 einen Querschnitt einer Photosensor-Anordnung welche elektrische
Felder unter der Oberfläche enthält, die eine Drift-Komponente der Zufallsbewegung der durch Lichteinwirkung erzeugten Ladungs-
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Int. Az.: Case 1237
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träger überlagern;
Figur 3 schematisch Profile von Dotierungskonzentrationen im Substrat
einer Photosensor-Anordnung; und
Figur 4 einen Querschnitt einer Photosensor-Anordnung mit einer "ge-
·· formten" Unterschicht.
In Figur 1 ist schematisch ein Querschnitt eines konventionellen Photodioden-Feldes
dargestellt, welches durch Diffusion von dotierenden Verunreinigungen durch eine isolierende Maskenschicht 10 (typischerweise
aus SiO2) in ein gleichförmig dotiertes Substrat 19 gebildet wird, dessen
Leitfähigkeitstyp dem der diffundierten Bereiche entgegengesetzt
ist. Dementsprechend können P+-Typ-Photosensoren IT, 13, 15 und 17 in
einem N-Typ-Substrat 19 gebildet werden. Wenn Licht auf den Bereich
oberhalb eines Photosensors (z.B. 15 in Figur 1) auftritt, werden dadurch Elektron/Loch-Paare in dem neutralen, gleichförmig dotierten HaIbleitersubstrat
13 erzeugt. Die so erzeugten Minoritätsträger bewegen sich durch zufällige thermische Diffusion durch das gesamte Substrat.
Diejenigen, die an einem Photosensor ankommen, rekombinieren dort und tragen zu einem Signalstrom bei, der anzeigt, daß in der Nachbarschaft
dieses Sensors Licht auf die Vorrichtung aufgetroffen ist. Obwohl einige Träger am Rand des Verarmungsbereichs des nächsten Sensors (15 in Figur
t) ankommen, können andere zu beabstandeten Sensoren diffundieren, bevor sie rekombinieren, und so z.B. durch den Sensor It eingefangen werden.
Diese Diffusion verschlechtert die räumliche Auflösung des Feldes,
da das elektrische Signal von einem durch den Sensor It eingefangenen
Träger von Licht herzurühren scheint, welches in der Nähe des Sensors 11 statt in der Nähe des Sensors 15 eingefallen ist. Dieses "Nebensprechen"
wird größer bei durchdringendem, langwelligem Licht, da die tief innerhalb des Substrats erzeugten Ladungsträger eine größere Möglichkeit
haben, zu beabstandeten Sensoren zu diffundieren als Träger, die dicht unter der Oberfläche erzeugt werden.
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Int. Az.: Case 1237
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In Figur 2 ist ein Photosensor-Feld dargestellt, bei welchem das Nebensprechen
dadurch erheblich reduziert ist, daß elektrische Felder in die Struktur "eingebaut" sind, so daß über die thermische Zufallsdiffusion
der Ladungsträger eine gerichtete Drift-Bewegung überlagert ist. Beim Aufbau gemäß Figur 2 werden elektrische Felder unter der Oberfläche
dadurch erzeugt, daß geeignete Konzentrationsgradienten der Dotierung im Substrat 19 gebildet werden. Speziell ist hier eine hochdotierte
"vergrabene" Zwischenschicht 21 desselben Leitfähigkeitstyps wie das Substrat 19 vorgesehen, die selektiv in das Substrat eingebracht wurde,
z.B. durch Diffusion oder Ionen-Implantation. Beispielsweise kann das Substrat 19 ein N-Typ-Bereich sein und die hochdotierte Zwischenschicht
21 ein N -Typ-Bereich. Das Substrat 19 kann aus Silizium bestehen,
15 -3 welches mit Phosphor auf ungefähr 10 cm dotiert ist, während eine
ic _2 ionen-implantierte Phosphordotierung von ungefähr 3x10 cm die
N -Zwischenschicht 21 bildet. Die Zwischenschicht 21 kann seitlich in ihrer Ausdehnung entsprechend der Ausdehnung des Photosensor-Feldes begrenzt
sein, wodurch die Einbeziehung des Feldes zusammen mit anderen Halbleiterbauelementen auf demselben N-Typ-Substrat ermöglicht wird.
Ein epitaxialer Silanfilm 23 von ungefähr 10μπι Dicke und mit einer
ähnlichen Dotierung wie das Substrat 19 ist über der Zwischenschicht 21 aufgebracht. Die Vorrichtung wird dann vorzugsweise einer langen Diffusion
unterworfen (z.B. 10 Stunden bei 11000C), so daß sich die "vergrabene"
Phosphorschicht über einen wesentlichen Teil des Epitaxialfilms verteilt. Dann wird die Struktur auf üblicher Weise dadurch fertiggestellt,
daß Photosensor-Elemente und zugeordnete integrierte Schaltelemente hergestellt werden. Vorzugsweise sind die Photosensor-Elemente
11, 13, 15 und 17 diffundierte P -N-Photodioden von ungefähr 32 μπι
Breite und 200 μπι Länge und einem Mittenabstand von ungefähr 75 μπι.
Figur 3 zeigt schematisch Profile der Dotierungskonzentration über der
Tiefe im Substrat 19. Die Kurve 24 stellt die N-Typ-Dotierungen dar, während Kurve 26 die P+-Typ-Dotierung der Photosensoren 11, 13, usw.
darstellt. Die nicht gleichförmige Dotierungskonzentration im Substrat erzeugt indiesem elektrische Felder, wie durch mit "ε" bezeichnete
Pfeile in Figuren 2 und 3 dargestellt ist. In auf die oben beschriebene
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Int. Az.: Case 1237
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Weise hergestellten Vorrichtungen beträgt die elektrische Feldstärke
im Substrat ungefähr 460 V/cm in der Nähe der Oberfläche und fällt auf 60 V/cm 1 Mm oberhalb der maximalen Dotierungskonzentration
ab. Die Ladungsträger haben daher eine Tendenz zur Beschleunigung in Richtung entweder des nächsten Photosensors
oder von der Oberfläche weg. Träger unterhalb der maximalen Dotierungskonzentration
werden ins Substrat hinein beschleunigt wo sie rekombinieren , ohne zum Sammelstrom irgendeines Sensors
beizutragen, während oberhalb der maximalen Dotierungskonzentration erzeugte Träger in Richtung der Oberfläche beschleunigt
werden, wo sie den Sammelstrom des benachbarten Photosensors erhöhen.
In beiden Fällen ist die Möglichkeit für ein Ladungsträger verringert, einen beabstandeten Photosensor zu erreichen. Das
Feld führt auch zu einem rascheren Einsammeln der durch Lichteinwirkung erzeugten Träger, wodurch das Frequenzverhalten der Vorrichtung
verbessert wird.
Bei der in Figur 4 dargestellten alternativen Ausführungsform ist die Anordnung so hergestellt, daß sich eine seitliche Komponente
des elektrischen Feldes unter der Oberfläche zusätzlich zur vertikalen Komponente ergibt. Durch Lichteinwirkung erzeugte
Träger werden dadurch noch direkter in Richtung des nächsten einsammelnden Bereichs beschleunigt. Dies wird dadurch erreicht, daß
eine geformte "vergrabene" N -Schicht 25 benutzt wird, die sich zwischen den Sensoren 11, 13 usw. dichter unterhalb der Oberfläche
erstreckt als in den Bereichen direkt unterhalb der Sensoren. Dadurch und durch die zwischen den einzelnen Höhenbereichen liegenden
Abschrägungen der Schicht 25 beschleunigt das elektrische Feld, die durch Lichteinwirkung erzeugten Träger direkt auf den nächsten
Photosensor zu, wie durch Pfeile 29 dargestellt ist.
Die Schicht 25 kann z.B. dadurch geformt werden, daß aufeinanderfolgend
zwei Chargen implantiert werden, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten diffundieren. Die am schnellsten diffundierende
Verunreinigung (Phosphor) wird nur zwischen die Photosensorelemente
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Int. Az.: Case 1237
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eingebracht, während die langsam diffundierende Schicht (z.B.
Arsen) unterhalb des gesamten Photosensor-Feldes durchgehend eingebracht wird. Nach einer geeigneten Verteilungsdiffusion
ergeben sich elektrische Felder, die die durch Lichteinwirkung erzeugten Minoritätsträger sowohl in Richtung der Oberfläche
als auch seitlich auf den nächsten Sensor zu beschleunigen.
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Claims (4)
1.) Photosensor-Anordnung mit einem Halbleitersubstrat eines ersten
Leitfähigkeitstyps und Photosensor-Elemente an der Oberfläche der Anordnung, die durch Lichteinwirkung erzeugte Ladungsträger erfassen,
gekennzei chnet durch
a) eine Halbleiter-Zwischenschicht (21) auf dem Substrat (19), wobei
aa) die Leitfähigkeit der Zwischenschicht größer als die des Substrats ist, und
b) eine Halbleiter-Deckschicht (23) des ersten Leitungstyps auf der
Zwischenschicht,
ba) wobei die Leitfähigkeit der Deckschicht geringer als die der Zwischenschicht ist und
bb) wobei die Photosensor-Elemente (11, 13, 15, 17) sich in der
Deckschicht befinden.
2. Photosensor-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet,
daß die Photosensor-Elemente (11, 13, 15, 17) im Bereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps sind, der dem ersten entgegengesetzt
ist.
3. Photosensor-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Leitungstyp N ist und der zweite Leitungstyp P ist.
4. Photosensor-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet,
daß die Zwischenschicht (25) in verschiedenen Dicken derart geformt ist, daß unter der Oberfläche der Anordnung elektrische Felder
entstehen, die bezogen auf die Oberfläche senkrechte und parallele Komponenten haben, derart, daß die Ladungsträger in Richtung auf die
Photosensor-Elemente (11,13,15,17) beschleunigt werden.
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ORIGINAL INSPECTED
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OD | Request for examination | ||
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Representative=s name: SCHULTE, K., DIPL.-ING., PAT.-ASS., 7030 BOEBLINGE |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |