DE2941362A1

DE2941362A1 - Integrierter optischer detektor mit ladungstransferelement

Info

Publication number: DE2941362A1
Application number: DE19792941362
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Otto 7900 Ulm Manck; Dipl.-Phys. Klaus 7901 Illerkirchberg Rödde; Hans-Jürgen Dipl.-Ing. 7900 ULm Wulf
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1979-10-12
Filing date: 1979-10-12
Publication date: 1981-04-23

Description

"Integrierter optischer Detektor mit Ladungstransferelement
Die Erfindung bezieht sich auf einen integrierten optischen Detektor, wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben.
Zur Erfassung sichtbarer Bilder versucht man neuereings, eine große Zahl von optischen Sensoren integriert auf einem Halbleiter-Chip zusammen mit einer nachgeschal;eten Ausleseeinheit unterzubringen. Es ist schon gelungen, Matrizen mit mehr als hundert mal hundert Bildpunkte: herzustellen, @ ei die Auslesung und Verarbeitung zu einem Videosignal auf demselben Chip erfolgt ("Festkörper-Kamera").
Solche Elemente sind beispielsweise in dem Buch 'Haloleiterspeicher" von Walter Motsch, Mannheim, Wien, Zürich: Bibliographisches Institut, 1978, S. 99 bis 106 beschrieben. Auch für Aufnahmen von Bildern im nahen Infrarotspektrum eignen sich Halbleitermaterialien, z. B. mit Ud dotiertem Silizium. Im Gegensatz zum sichtbaren Bereich muß aber für die Infrarotblldaufnehe ein Detektor n zusätzlich zu jedem Detektor ein Speicher vorgesehen verden, der die generierte Ldungsmenge speichert. Im Sichtbaren bilden Detektor und Speicher eine inheit (MIS-Struktur). (MIS = Metal-Isolated-Semiconductor).
Um bei vorgegebener Chip-Größe möglichst viele Detekto unterbringen zu können, muß jede Bildpunkteinheit und dazugehörige Ausleseeinheit sehr klein sein.
Erste Untersuchungen an solchen integrierten optische IR-Detektoren sind beispielsweise beschrieben worcen un Proc. CCD-Application Conf. (1975) von K. Nummedal et al.
Seiten 19 bis 30.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Piatzbeär für einen derartigen optischen Detektor auf der Oberfläche eines Chips zu vermindern, damit eine möglichst große grs zahl derartiger Detektoren auf einem Chip in integrierter Technik untergebracht werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Plerkmale des Pata tanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es wird also ein integrierter optischer Detektor vorgeschlagen, bei dem außer einem optischen Sensor ein Transistor und ein Ladungstransferelement in der Weise auf einem Chip angeordnet sind, daß das halbleitende Substrat des Chips dessen zweite Seite bildet und auf der ersten Seite des Chips sich eine Epitaxieschicht befindet, die sowohl Teil des Ladungstransferelementes ist als auch bei einem n unmittelbarer Nachbarschaft der Eingangselektrode des Tadungstransferelementes angeordneten Transistor dessen Senke (Drain) und Quelle (Source) voneinander trennt.
Durch die Erfindung ist es möglich, die dem optischen den sor nachgeschalteten Mittel zur Signalvorverarbe tung zusammen mit dem optischen Sensor selbst sehr kompakt auf Oo Siliziun-Chip mittels der Silizium-Planartechnik zu integrieren. Dabei läßt sich zugleich ein großer optisch Wirkungsgrad erreichen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erlautert.
FIG. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Chip it den Merkmalen eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung.
In FIG. 2 ist das elektrische Ersatzschaltbild zu FIG. 1 dargestellt und FIG. 3 Zeigt den Oberflächenpotentialverlauf des in FIG 1 enthaltenen Ladungstransferelemente Integrations- bzw. Sperrmode.
In FIG. 1 i;t in einem Schnitt durch einen Chip ein Halbleitersubstrat 1 aus Silizium dargestellt, das als optischer Sensor, nämlich als Fotowiderstand wirksam ist ind an seiner ersten Seite (Oberseite) durch Donatoren-Dotlerung n-leitend ist. Durch diese Dotierung entsteht eine Epitaxieschicht 2, deren rechter Teil zusammen mit einer Eingangselektrode 7a und weiteren Elektroden 7b und 7c in bekannter Weise ein Ladungstransferelement bildet. Dabei ist zwischen den Elektroden 7a, 7b, 7c einerseits und der Epitaxieschicht 2 andererseits in bekannter Weise eine Isolierschicht (z. B. SiO2) angeordnet, die nicht räher dargestellt ist. Wie in der oben zitierten Literaturstelle beschrieben, wird der Ladungstransfer von links nach rechts durch einen dreiphasigen Takt gesteuert. Bei negativer Spannung an einer Elektrode entsteht in der Epitaxieschicht 2 unter der betreffenden Elektrode eine Verarmungszone fii: Elektronen, eine sogenannte Potentialmulde. In sie können Minoritätsträger (löcher) eingebracht und dort festgehalten werden, wenn die Spannung an den Nachbarelektroden schwächer negativ ist. Befindet sich beispielsweise anfangs unter der Eingangselektrode 7a eine positive Ladung und nehmen die Potentiale U1, 1, #2 an den Elektroden 7a, o, c ab, wie in FIG. 3a als Verlauf des Potentials # über der Ortsveränderlichen x gezeigt, so kann die Ladung i von ihrem ursprünglichen Standort unter der Eingangselektrodc 7a in die Potentialmulde unter der'Elektrode 7c wandern.
Dieser Vorgang wird als Integrationsmode bezeichnet. Bei dem in FIG. 3b dargestellten Verlauf des Oberflächenpetentiales 0 in Abhängigkeit vom Ort x ergibt sich der sogenannte Sperrmode, bei dem die in Form von Minoritätsträgern unter der Eingangselektrode 7a gespeicherte Ladung Q dort verbleibt.
An der Unterseite des in FIG. 1 dargestellten Chip ist einfallendes Infrarotlicht IR dargestellt, das eine elestrische Reaktion des als Fotowiderstand wirkenden Kalbleitersubstrats 1 hervorruft, das an seiner Unterseite mit einer p-leitenden Kontaktdiffusionszone 8 versehen ist.
Es besteht nun das Ziel, die infolge des Infrarotlichteinfalls bewirkten elektrischen Veränderungen am Fotoiiderstand umzusetzen in eine Ladungsänderung unterhalb der Lingangselektrode 7a des Ladungstransferelementes. Hierzu ist im linken Bereich der n-leitenden Epitaxieschicht 2 ein Vertikaltransistor angeordnet, der als Senke (Drain eine obere Dotierungszone (p-leitend) an der Oberfläche der Epitaxieschicht 2 mit einer Drain-Elektrode 4 aufweist. Unter dieser Dotierungszone 3 liegt ein Teil der Epitaxieschicht 2, unter welcher wiederum im Grenzbereich zwischem dem un- dotierten Substrat 1 und der Epitaxieschicht 2 eine untere Dotierungszone 5 (p-leitend) liegt, welche die Quelle (Source) des Vertikaltransistors bildet, der an einer Beitenwana einer jeweils bis an die Dotierungszonen 1, - -chenden Vertiefung 6 eine (insbesondere isolierte) (;.-.telektrode (gate) 9 aufweist.
Damit nun die Ladungen von der Transistorquelle (Source) (5) auch unter die Eingangselektrode 7a des Ladungstransferelementes gelangen können, ist zwischen diesen und dem Vertikaltransistor eine von der ersten Seite (Obeseite) des hier n-dotierten Substrates 1 ausgehende Kontaktdiffusion 10 vorgesehen, die p-leitend ist und sich seits bis unter einen Teil der Eingangselektrode 7a e.-streckt, andererseits aber auch bis zu der vergrabenen Dotierungszone 5 (buried layer) reicht.
Auf diese Weise ergibt sich entsprechend dem Ersatzschaltbild nach FIG. 2 eine Schaltungsanordnung mit einem Ladungstransferelement und einem optischen Sensor in cer iicise, daß über dem Sensor (Substrat 1 als Fotowiderstand) sich der vertikale Transistor befindet (T1 in FIG. S-), Ler als Spannungsteiler mit dem Fotowiderstand 1 zusammenarbeitet. In den FIG. 1 und 2 sind die einander entsprechender Teile durch untereinander gleiche Bezifferung gekennzeichnet und die Elektroden mit Zuleitungen (beispielsweise D und G für Drain und Gate) versehen. Die Spannung über dem Fotowiderstand 1 gelangt über die vergrabene Dotierungszone 5 an eine Injektionsdiode des nachfolgenden Ladungstransferelementes, die gebildet ist aus der Kontaktdiffunionszone 10 und der Epitaxieschicht 2.
Die FIG. 1 erweckt zunächst den Eindruck, als würde die Vertiefung 6 nicht benötigt, so daß sich dann die Gate- Elektrode 9 auf der ebenen Oberfläche der Epitaxieschicht 2 zwischen der Dotierungszone 3 und der Kontaktdiffunionzone 10 befinden könnte. Eine solche Anordnung wäre aoer insofern nachteilig, als sich damit der optische Wirkungsgrad (Füllfaktor) wesentlich verschlechtern würde.
Dieser Nachteil ist bei der gezeigten Anordnung mit einen Vertikaltransistor vermieden, bei dem die Gate-Elektrode in einen von Null abweichenden Winkel gegenüber den Oberflächenteilen des Chips angeordnet ist, auf denen sich die Elektroden 7 des Ladungstransferelementes befinden Als Elektrodenspannungen für den Vertikaitransistor T1 haben sich bezogen auf eine auf Bezugspotential gelegte re .taktdiffusionszone 8 für die Drainelektrode D etwa -,5 V und für die Gateelektrode G etwa -1C V als günstige Werte erwiesen.
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Claims

Patentansprüche 1. Integrierter optischer Detektor mit optischem Sensor und ladungstränsferelement, denen ein gemeinsames Substrat zugeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) das Substrat (1) ist halbleitend und als optischer Sensor ausgebildet; b) auf der ersten Seite des Substrates befindet sich eine Epitaxieschicht (2) mit Elektroden (7a, 7b, 7c), unter anderem mit der Eingangselektrode (7a) des Ladungstransferelementes; c) neben der Eingangselektrode (7a) befindet sich ein sogenannter Vertikaltransistor (T1) auf der ersten Seite des Substrates, wobei diejenigen Dotierungszonen (5, 3), welche Quellen (Source) und Senke (Drain) des Vertikaltransistors bilden, in unterschiedlicher Tiefe im Substrat liegen, so daß sich zwischen ihnen ein Teil der Epitaxieschicht (2) befindet, und wobei sich an diesem Teil die Gateelektrode (9) befindet und zwar in einem von Null abweichenden Winkel gegenüber der ersten Beite des Substrates; d) an die vergrabene (buried layer) (5), d. h. tiefer liegende der beiden Dotierungszonen (3, 5) schließt sich eine Anschlußdotierungszone (10) an, die bis an die Eingangselektrode (7a) reicht.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, aa sich auf der anderen Seite des Substrates eine Kontaktdiffusionszone (8) für den optischen Sensor befindet.
3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungstransferelement eine ladungsgekoppelte Schieberegisterzelle, insbesondere ein sogenannter CCD ist.
4. Detektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungszonen (3, 5, 8) Diffusionszonen sind.