DE2941362A1 - Optical detectors on integrated circuit chip - includes transistor and charge transfer element with common epitaxial layer - Google Patents
Optical detectors on integrated circuit chip - includes transistor and charge transfer element with common epitaxial layerInfo
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Abstract
Description
"Integrierter optischer Detektor mit Ladungstransferelement"Integrated optical detector with charge transfer element
Die Erfindung bezieht sich auf einen integrierten optischen Detektor, wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben.The invention relates to an integrated optical detector, as indicated in the preamble of claim 1.
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").Newer attempts are being made to capture visible images, a large one Number of optical sensors integrated on a semiconductor chip along with one downstream of the readout unit. It has already succeeded in creating matrices with more than one hundred by one hundred pixels: produce, @ ei the readout and Processing to a video signal takes place on the same chip ("solid-state camera").
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).Such elements are for example in the book 'Haloleiterspeicher " by Walter Motsch, Mannheim, Vienna, Zurich: Bibliographisches Institut, 1978, p. 99 to 106. Also for taking pictures in the near infrared spectrum semiconductor materials are suitable, e.g. B. silicon doped with Ud. In contrast to the visible area but must be used for the infrared image Detector n is provided in addition to each detector, a memory that the saves the amount of charge generated. In the visible, the detector and the memory form one unit (MIS structure). (MIS = Metal-Isolated-Semiconductor).
Um bei vorgegebener Chip-Größe möglichst viele Detekto unterbringen zu können, muß jede Bildpunkteinheit und dazugehörige Ausleseeinheit sehr klein sein.In order to accommodate as many detectors as possible with a given chip size to be able to, each pixel unit and associated readout unit must be very small be.
Erste Untersuchungen an solchen integrierten optische IR-Detektoren sind beispielsweise beschrieben worcen un Proc. CCD-Application Conf. (1975) von K. Nummedal et al.First investigations on such integrated optical IR detectors are described, for example, worcen un Proc. CCD Application Conf. (1975) by K. Nummedal et al.
Seiten 19 bis 30.Pages 19 to 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.It is the object of the present invention to provide the place for a to diminish such an optical detector on the surface of a chip so The largest possible number of such detectors integrated on a chip Technology can be accommodated.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Plerkmale des Pata tanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This task is solved by the characteristics of the patent claim 1. Advantageous further developments are given in the subclaims.
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.An integrated optical detector is therefore proposed at in addition to an optical sensor, a transistor and a charge transfer element in are arranged on a chip in such a way that the semiconducting substrate of the chip the second side of which forms and an epitaxial layer is formed on the first side of the chip is located, which is both part of the charge transfer element and an n arranged in the immediate vicinity of the input electrode of the charge transfer element Transistor whose sink (drain) and source (source) separate from each other.
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.The invention makes it possible to use the sensor downstream of the optical sensor Means for Signalvorarbe device together with the optical sensor itself very compact to integrate on Oo silicon chip using silicon planar technology. Here lets at the same time achieve a high degree of optical efficiency.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erlautert.The invention is explained in more detail with the aid of the drawing.
FIG. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Chip it den Merkmalen eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung. FIG. 1 shows a cross section through a chip with the features of a preferred embodiment of the invention.
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. 2 is the electrical equivalent circuit diagram for FIG. 1 shown and FIG. 3 shows the surface potential profile of the charge transfer element contained in FIG Integration or blocking mode.
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.In FIG. 1 i; t a semiconductor substrate in a section through a chip 1 made of silicon, which acts as an optical sensor, namely as a photo resistor effective ind on its first side (upper side) through donor doping is n-conductive is. This doping creates an epitaxial layer 2, the right part of which together with an input electrode 7a and further electrodes 7b and 7c in a known manner forms a charge transfer element. It is between the electrodes 7a, 7b, 7c on the one hand and the epitaxial layer 2 on the other hand an insulating layer in a known manner (z. B. SiO2) arranged, which is not shown in more detail. As in the one quoted above As described in the literature reference, the charge transfer is carried out from left to right controlled a three-phase clock. With negative Tension on one An electrode is created in the epitaxial layer 2 under the relevant electrode Depletion zone fii: electrons, a so-called potential well. In it can minority carriers (holes) are introduced and held there when the voltage is applied to the neighboring electrodes is weaker negative. For example, it is initially under the input electrode 7a have a positive charge and take the potentials U1, 1, # 2 at the electrodes 7a, o, c ab, as shown in FIG. 3a as the course of the potential # over the variable x, the charge i can move from its original location under the input electrode c 7a migrate into the potential well under the electrode 7c.
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.This process is called integration mode. In the case of the one shown in FIG. 3b the course of the surface potential 0 as a function of location x The result is the so-called blocking mode, in which the in the form of minority carriers Charge Q stored under the input electrode 7a remains there.
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.At the bottom of the in FIG. 1 is an incident chip Infrared light IR is shown, which is an electrical reaction of the photoresist acting Kalbleitersubstrats 1 causes, which on its underside with a p-conductive Contact diffusion zone 8 is provided.
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.There is now the target caused as a result of the infra-red light incidence to convert electrical changes to the photo resistor into a change in charge below the input electrode 7a of the charge transfer element. This is in the left A vertical transistor is arranged in the region of the n-conducting epitaxial layer 2, which as a sink (drain an upper doping zone (p-conductive) on the surface of the epitaxial layer 2 with a drain electrode 4. A is located under this doping zone 3 Part of the epitaxial layer 2, under which again in the border area between the U.N- doped substrate 1 and the epitaxial layer 2 a lower doping zone 5 (p-conductive), which forms the source of the vertical transistor, the one on a side wall of a recess that extends up to the doping zones 1, - -chenden 6 has a (in particular insulated) (; .-. Telelectrode (gate) 9.
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.So now the charges from the transistor source (5) too can get under the input electrode 7a of the charge transfer element is between these and the vertical transistor one from the first side (top side) of the n-doped substrate 1 outgoing contact diffusion 10 provided here, the is p-conductive and on the one hand extends to under part of the input electrode 7a e.-stretches, on the other hand, however, it also extends as far as the buried doping zone 5 (buried layer).
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.This results in accordance with the equivalent circuit diagram FIG. 2 shows a circuit arrangement with a charge transfer element and an optical one Sensor in cer iicise that the sensor (substrate 1 as photo resistor) is vertical transistor is located (T1 in FIG. S-), Ler as a voltage divider with the photoresistor 1 cooperates. In FIGS. 1 and 2 are the corresponding parts through the same numbering as one another and the electrodes with leads (e.g. D and G for drain and gate). The voltage across the photo resistor 1 reaches an injection diode of the following via the buried doping zone 5 Charge transfer element, which is formed from the contact diffusion zone 10 and the epitaxial layer 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.The FIG. 1 initially gives the impression that the deepening 6 is not required, so that the gate Electrode 9 on the flat surface of the epitaxial layer 2 between the doping zone 3 and the contact diffusion zone 10 could be located. Such an arrangement would also be disadvantageous in that so that the optical efficiency (fill factor) would deteriorate significantly.
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.This disadvantage is with the arrangement shown with a vertical transistor avoided in which the gate electrode in a non-zero angle opposite the surface parts of the chip on which the electrodes 7 As electrode voltages for the vertical transistor T1 refer to a right clock diffusion zone that is connected to reference potential 8 for the drain electrode D about - .5 V and for the gate electrode G about -1C V as proven favorable values.
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