Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen photoelektrischen
Wandler mit einem Ladungsspeicherbereich, dessen
Potential kapazitiv geregelt werden kann.
Verwandter Stand der Technik
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Fig. 1A ist eine schematische Draufsicht, die einen
photoelektrischen Wandler, der in der
EPC-Offenlegungsschrift Nr. 0 132 076 beschrieben ist, zeigt, und Fig. 1B
ist ein Querschnitt entlang der Linie I-I aus Fig. 1A.
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In den Figuren sind Photosensorzellen hergestellt, indem
sie auf einem n&spplus;-Silicium-Substrat 101 angeordnet sind,
wobei jede Photosensorzelle gegenüber ihren Nachbarzellen
durch einen Elementisolationsbereich 102 aus Materialien
wie SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4; oder Polysilicium elektrisch isoliert
ist.
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Jede Photosensorzelle ist folgendermaßen aufgebaut:
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Auf einem n&supmin;-Bereich 103 von geringer
Verunreinigungsdichte, der durch Epitaxie oder eine ähnliche Technik
hergestellt ist, wird ein p-Bereich 104 durch Dotieren
mit Akzeptoren gebildet und innerhalb dieses p-Bereichs
wird ein n&spplus;-Bereich 105 durch Diffusion von
Verunreinigungen oder Ionenimplantation gebildet. Der
p-Bereich 104 und der n&spplus;-Bereich 105 bilden jeweils die
Basis und den Emitter eines bipolaren Transistors.
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Auf dem p-Bereich 104 und dem n&spplus;-Bereich 105, die sich
auf dem n&supmin;-Bereich 103 befinden, sitzt eine dünne
Oxidschicht 106, auf der sich eine Kondensatorelektrode 107
mit einer vorbestimmten Fläche befindet. Die
Kondensatorelektrode 107 liegt dem p-Bereich gegenüber mit der
dünnen Oxidschicht 106 dazwischen. So kann das Potential
des p-Bereichs 104 im erdfreien Zustand geregelt werden,
indem ein Spannungsimpuls an die Kondensatorelektrode 107
angelegt wird.
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Zusätzlich sind noch eine Emitterelektrode 108, die mit
dem n&spplus;-Bereich 105 verbunden ist, eine Verbindung 109, um
ein Signal von der Emitterelektrode zu empfangen und in
einen äußeren Stromkreis auszugeben, eine Verbindung 110,
die mit der Kondensatorelektrode 107 verbunden ist, ein
n&spplus;-Bereich 111 von hoher Verunreinigungsdichte auf der
Rückseite des Substrats 101 und eine Elektrode 112, um
ein Potential an den Kollektor des bipolaren Transistors
anzulegen, vorhanden.
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Als nächstes soll die grundlegende Funktionsweise des
vorangehend beschriebenen Photosensors erläutert werden.
Angenommen, der p-Bereich 104 oder die Basis des
bipolaren Transistors liegt im Ausgangszustand auf negativem
Potential. Licht 113 fällt auf den p-Bereich 104 oder die
Basis des bipolaren Transistors und die der Lichtmenge
entsprechende Ladung wird im p-Bereich 104 gespeichert
(Speichervorgang). Das Potential der Basis verändert sich
mit der gespeicherten Ladung, so daß der Strom, der durch
den Emitter und Kollektor fließt, geregelt wird. Durch
Ablesen der Potentialänderung an der Emitterelektrode
kann im erdfreien Zustand ein elektrisches Signal, das
der einfallenden Lichtmenge entspricht, erhalten werden
(Auslesevorgang). Um die im p-Bereich 104 gespeicherte
Ladung zu entfernen, wird die Emitterelektrode 108
geerdet und an die Kondensatorelektrode 107 eine positive
impulsförmige Spannung angelegt. Da der p-Bereich 104 im
Verhältnis zum n&spplus;-Bereich 105 durch das Anlegen der
positiven impulsförmigen Spannung in Vorwärtsrichtung
betrieben wird, wird die gespeicherte Ladung entfernt. Mit
dem Abfallen der positiven impulsförmigen Spannung oder
des Erneuerungsimpulses, nimmt der p-Bereich 104 wieder
den Ausgangszustand auf negativem Potential an
(Erneuerungsvorgang). Vorstehend beschriebene Vorgänge,
d. h. Speichern, Auslesen und Erneuern werden wiederholt.
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Zusammenfassend wird nach der vorgeschlagenen Methode die
Ladung, die durch einfallendes Licht erzeugt wird, im
p-Bereich 104 oder der Basis gespeichert, so daß Strom,
der durch die Emitterelektrode 108 und die
Kollektorelektrode 112 fließt, geregelt werden kann. So wird die
gespeicherte Ladung bei jeder Zelle verstärkt und danach
gelesen, so daß ein hohes Ausgangssignal und eine hohe
Empfindlichkeit sowie ein geringes Rauschen erreicht
werden können.
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Das Basispotential Vp, das von den durch Lichtanregung in
der Basis gespeicherten Löchern erzeugt wird, ist gegeben
durch Q/C, wobei Q für die Ladungsmenge der in der Basis
gespeicherten Löcher und C für die Kapazität der Basis
stehen. Wie aus vorstehender Beziehung hervorgeht, führt
eine hohe Integration des Photosensors zu einer
Verringerung der Zellgröße sowie zu einer Verringerung der
Werte von Q und C, so daß das Potential Vp, das durch
Lichtanregung erzeugt wird, im wesentlichen konstant
bleibt. Folglich wird die vorgeschlagene Methode auch für
hohe Auflösung bei Photosensoren in Zukunft als wirksam
angesehen.
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Jedoch ist es nötig, schmale und lange Photosensorfelder
in einem photoelektrischen Wandler anzuordnen, wenn hohe
Integration und Auflösung ohne Verringerung einer
Ausgangs-Spannung
erreicht werden sollen. In diesem Fall
wird der Widerstand in der longitudinalen Richtung des
Feldes groß, so daß eine Potentialverteilung im aktiven
Bereich einer Photosensorzelle erzeugt wird, wodurch sich
einige Probleme, nämlich die Verringerung der
Ansprechgeschwindigkeit und das Auftreten eines Nachbildphänomens,
ergeben.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen photoelektrischen
Wandler zu schaffen, dessen Aufbau sich für hohe
Auflösung und hohe Integration eignet.
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Erfindungsgemäß wird ein photoelektrischer Wandler, wie
er in Anspruch 1 dargelegt wird, geschaffen. Wahlweise
Merkmale sind in den restlichen Ansprüchen dargelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1A ist eine schematische Draufsicht, die einen
herkömmlichen photoelektrischen Wandler darstellt, und
Fig. 1B ist ein Querschnitt entlang der Linie I-I aus
Fig. 1A;
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Fig. 2A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen photoelektrischen Wandlers in Draufsicht, und
Fig. 2B ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A aus
Fig. 2A;
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Fig. 3A bis 3H stellen die Arbeitsgänge bei der
Herstellung des photoelektrischen Wandlers des
Ausführungsbeispiels dar; und
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Fig. 4A zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der
Erfindung in Draufsicht, und Fig. 4B ist ein Querschnitt
entlang der Linie B-B aus Fig. 4A.
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Genaue Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles
Nun soll das Ausführungsbeispiel der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich
beschrieben werden.
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Fig. 2A ist eine schematische Draufsicht, die ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen photoelektrischen
Wandlers zeigt, und Fig. 2B ist ein Querschnitt entlang
der Linie A-A aus Fig. 2A.
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Unter Bezugnahme auf die Figuren befindet sich auf einem
n-Typ-Silizium-Substrat 1 eine epitaktische n&supmin;-Schicht 2,
innerhalb der Photosensorzellen angeordnet sind, wobei
jede durch Elementisolationsbereiche 6 elektrisch
isoliert ist.
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In diesem Beispiel wurde der Elementisolationsbereich 6
durch Diffusion von Verunreinigungen hergestellt, aber
die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Der
Elementisolationsbereich 6 kann statt dessen mit Hilfe
irgendeines bekannten Verfahrens hergestellt werden, wie z. B.
der LOCOS-Technik, der Diffusion von Verunreinigungen
durch eine dünne Oxidschicht, die mit der LOCOS-Technik
hergestellt wurde, der Trench-Methode (Bulk Etch) oder
einem ähnlichen Verfahren.
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Jede Photosensorzelle umfaßt: einen p-Basisbereich 3 und
einen n&spplus;-Emitterbereich 5 eines bipolaren Transistors,
die sich innerhalb des epitaktischen n&supmin;-Bereichs 2
befinden; eine Kondensatorelektrode aus Polysilicium 4, um
einen Impuls zum p-Basisbereich 3 durch einen
dazwischenliegenden Oxidfilm 13 zu schicken; eine Elektrode 7, die
mit dem n&spplus;-Emitterbereich 5 verbunden ist; eine
Elektrode 15, die mit dem Polysilicium 4 verbunden ist; eine
nicht dargestellte Kollektorelektrode auf der Rückseite
des Substrats 1, um ein Potential an den Kollektor des
bipolaren Transistors anzulegen.
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Der Elektrodenbereich, der durch die Kondensatorelektrode
aus Polysilicium 4 und die Emitterelektrode 7 definiert
wird, ist mit einer Lichtabschirmschicht 10 bedeckt. Der
Bereich, der durch den Basisbereich 3 und die
epitaktische n&supmin;-Schicht 2 definiert ist und der schmäler als
der Elektrodenbereich ist, ist ein Lichtempfangsbereich.
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Eine Vielzahl von Kontaktlöchern 17 und 18 befindet sich
auf dem Basisbereich 3. Verbindungen 16 sind an den
Kontaktlöchern leitend verbunden, um die Teile des
langgestreckten Basisbereichs 3 an den Kontaktlöchern leitend
zu verbinden. Dadurch wird der innere Widerstand des
langgestreckten Basisbereichs 3 verringert, um folglich
die Entstehung einer Potentialverteilung im Basisbereich
zu verhindern. In diesem Fall sind die Verbindungen 16
über dem Elementisolationsbereich 6 angeordnet, so daß
der Wirkungsgrad der Zellen bei der photoelektrischen
Umwandlung nicht herabgesetzt wird.
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Gemäß der grundlegenden Funktionsweise dieses
Ausführungsbeispieles befindet sich der p-Basisbereich 3, der
im Ausgangszustand auf negativem Potential liegt, zuerst
in erdfreiem Zustand, wie zuvor beschrieben, und die
Löcher unter den Elektron-Loch-Paaren, die durch
Lichtanregung erzeugt werden, werden im p-Basisbereich 3
gespeichert (Speichervorgang). Anschließend werden Emitter und
Basis in Vorwärtsrichtung betrieben, um den Emitter-
Kollektor-Strom über die von den gespeicherten Löchern
erzeugte, akkumulierte Spannung zu regeln und vom Emitter
im erdfreien Zustand eine der akkumulierten Spannung
entsprechende Spannung abzulesen (Auslesevorgang). Dann
werden durch Erden des Emitters und Anlegen einer
positiven impulsförmigen Spannung an die Kondensatorelektrode
aus Polysilicium 4 die im p-Basisbereich 3 gespeicherten
Löcher über den Emitter entfernt (Erneuerungsvorgang).
Durch das Entfernen der gespeicherten Löcher nimmt der
p-Basisbereich 3 wieder einen Ausgangszustand auf
negativem Potential an, wenn die positive, impulsförmige
Erneuerungsspannung abfällt.
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Die Photosensorzellen, die wie vorangehend erläutert
aufgebaut sind, haben eine bemerkenswert verbesserte, hohe
Dichte an Lichtempfangsbereichen, da die
Elektrodenbereiche mit ihrem niedrigen Wirkungsgrad bei der
photoelektrischen Umwandlung durch die
Lichtabschirmschichten 10 gemäß Fig. 2A abgeschirmt sind, während die
Lichtempfangsbereiche, die schmäler als die
Elektrodenbereiche sind und einen hohen Wirkungsgrad bei der
photoelektrischen Umwandlung haben, abwechselnd zwischen den
Elektrodenbereichen angeordnet sind.
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Als nächstes sollen die Arbeitsgänge zur Herstellung
dieses Ausführungsbeispieles beschrieben werden.
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Fig. 3A bis 3H stellen die Arbeitsgänge zur Herstellung
dieses Ausführungsbeispieles dar.
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Zuerst wird gemäß Fig. 3A eine n&spplus;-Schicht 20 für Ohmschen
Kontakt, die eine Verunreinigungsdichte von 1·10¹&sup7; bis
1·10²&sup0; cm&supmin;³ aufweist, auf der Rückseite eines n-Typ-
Silizium-Substrats 1 mit einer Verunreinigungsdichte von
1·10¹&sup5; bis 5·10¹&sup8; cm&supmin;³ durch Diffusion von P, As oder
Sb gebildet. Als nächstes wird auf die n&spplus;-Schicht 20 ein
Oxidfilm 21 (z. B. ein SiO&sub2;-Film mit einer Dicke von 300
bis 700 nm (3000 bis 7000 Å) mit Hilfe eines
CVD-Verfahrens aufgebracht.
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Der Oxidfilm 21, der Rückseitenbeschichtung genannt wird,
wird benutzt, um das Ausgasen der Verunreinigungen
während
einer Wärmebehandlung des Substrates 1 zu
verhindern.
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Als nächstes wird die Oberfläche des Substrates 1 für
etwa 1.5 Minuten bei einer Temperatur von 1000ºC und
unter Einwirkung von 2 l/min von HCl und 60 l/min von H&sub2;
angeätzt. Danach wird eine epitaktische n&supmin;-Schicht 2 (im
folgenden als n&supmin;-Schicht 2 bezeichnet) unter Bedingungen
wie zum Beispiel 1.2 l/min der gasförmigen
Ausgangsverbindung SiH&sub2;Cl&sub2;(100%), einer Durchflußrate von
100 cm³/min des Dotiergases (20 PPM PH&sub3; in H&sub2; verdünnt),
einer Wachstumstemperatur von 100ºC und auf 1.6·10&sup4;
bis 2.4·10&sup4; Pa (120 bis 180 torr) reduzierten Druck
aufgewachsen. Die Wachstumsrate des Einkristalls beträgt
0.5 um/min, die Dicke des Einkristalls 2 bis 10 um. Die
Verunreinigungsdichte beträgt 1·10¹² bis 10¹&sup6; cm&supmin;³ oder
vorzugsweise 1012 bis 10¹&sup4; cm&supmin;³(Fig. 3B).
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Dann wird auf der n-Schicht 2 ein Padoxidfilm 22 von 50
bis 150 nm (500 bis 1500 Å) Dicke durch Oxidation mittels
Erhitzen (H&sub2;+O&sub2;), feuchte Oxidation (O&sub2;+H&sub2;O),
Oxidation unter Dampf (N&sub2;+H&sub2;O) oder Trockenoxidation
gebildet. Um einen guten Oxidfilm ohne Schichtdefekte zu
erhalten, ist Oxidation unter Hochdruck bei einer
Temperatur von 800 bis 1000ºC vorzuziehen.
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Der Oxidfilm 22 ist vorgesehen, um Channeling und
Oberflächendefekte während der Bildung des Basisbereichs
durch Ionenimplantation zu verhindern. Während des
vorstehend erwähnten Vorgangs wird der Oxidfilm 21 zur
Rückseitenbeschichtung vollständig entfernt.
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Danach wird eine Abdeckung 23 aufgebracht, von der jener
Teil, wo der Basisbereich entstehen soll, selektiv
entfernt wird (Fig. 3C).
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Als nächstes werden unter Verwendung von BF&sub3;-Gas erzeugte
B&spplus;-Ionen oder BF&sub2;&sbplus;-Ionen in die Halbleiterscheibe
implantiert. Ihre Oberflächendichte beträgt 1·10¹&sup5; bis
5·10¹&sup8; cm&supmin;³ oder vorzugsweise 1 20·10¹&sup6; cm&supmin;³, während
die Dotiermenge 7·10¹¹ bis 1·10¹&sup5; cm&supmin;² oder
vorzugsweise 1·10¹² bis 1·10¹&sup4; cm&supmin;² beträgt.
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Nach der Ionenimplantation und Entfernung der
Abdeckung 23 wird der p-Basisbereich 3 bis in eine
vorbestimmte Tiefe durch Wärmediffusion bei einer Temperatur
von 1000 bis 1100ºC und in N&sub2;-Atmosphäre gebildet und
gleichzeitig entsteht eine dicke Oxidschicht 24 auf der
Oberfläche des Substrates 1. Dann wird die Oxidschicht 24
in dem Bereich, wo der Elementisolationsbereich 6
gebildet werden soll, selektiv entfernt (Fig. 3D).
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Die Tiefe des p-Basisbereichs 3 beträgt zum Beispiel 0.6
bis 1 um.
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Eine andere Methode zur Herstellung des Basisbereichs 3
besteht darin, BSG auf der Halbleiterscheibe abzuscheiden
und die Verunreinigung B durch Wärmebehandlung bei 1100
bis 1200ºC bis zu einer vorbestimmten Tiefe
eindiffundieren zu lassen.
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Als nächstes erfolgt zur Bildung des
Elementisolationsbereiches 6 n&spplus;-Diffusion mittels der Diffusion von POCl&sub3;
oder Ionenimplantation vorzugsweise mit einer Dichte von
10¹&sup7; bis 10²¹ cm&supmin;³. Durch den Gebrauch von POCl&sub3; wurden
unter Bedingungen wie einer Ofentemperatur von 850 bis
1000ºC, 50 bis 200 cm&supmin;³/min des POCl&sub3;-Blasen-Trägergases
und einer Verfahrensdauer von 10 bis 40 Minuten gute
Ergebnisse erzielt.
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Nach der Bildung des Elementisolationsbereichs 6 und des
Basisbereichs 3 wird eine dicke Oxidschicht 9 durch
Oxidation
auf dem Substrat 1 gebildet. Danach werden die
Teile der Oxidschicht 9, wo die Kondensatorelektrode und
der Emitterbereich entstehen sollen, selektiv entfernt.
In den so entstandenen Öffnungen, werden ein
Gateoxidfilm 13 und ein Oxidfilm 13' mit einer Dicke von 10 bis
100 nm (100 bis 1000 Å) gebildet (Fig. 3E).
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Danach wird As-dotiertes Polysilicium durch ein
CVD-Verfahren unter Benutzung von (N&sub2;+SiH&sub4;+AsH&sub3;)-Gas
oder (H&sub2;+SiH&sub4;+AsH&sub3;)-Gas abgeschieden. Die
Abscheidungstemperatur liegt etwa zwischen 550 und 900ºC und
die Dicke beträgt 200 bis 700 nm (2000 bis 7000 Å). Es
ist natürlich auch möglich, nicht dotiertes Polysilicium
mittels eines CVD-Verfahrens abzuscheiden und hinterher
As oder P zu diffundieren. Der abgeschiedene
Polysiliciumfilm wird zur Bildung der Kondensatorelektrode aus
Polysilicium 4 mit Hilfe von Photolithographie teilweise
geätzt.
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Als nächstes werden Verunreinigungsionen wie P oder As
mittels Ionenimplantation durch den Oxidfilm 13' in den
Bereich gebracht, wo ein Emitterbereich entstehen soll.
Infolge von Wärmebehandlung bildet sich ein n&spplus;-Bereich 5
(Fig. 3F).
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Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel der
n&spplus;-Emitterbereich 5 mittels Ionenimplantation gebildet wird, kann
der Emitterbereich 5 auch folgendermaßen gebildet werden,
nämlich indem der Oxidfilm 13' entfernt wird, so daß in
der sich dadurch ergebenden Öffnung Polysilicium während
der Bildung des Polysiliciums 4 abgeschieden wird, und im
Polysilicium befindliche Verunreinigungen wie P oder As
durch Wärmebehandlung in den p-Basisbereich diffundiert
werden, wodurch der n&spplus;-Emitterbereich 5 entsteht.
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Als nächstes wird ein PSG-Film oder ein SiO&sub2;-Film 8 durch
ein CVD-Verfahren unter Verwendung des vorangehend
beschriebenen Gases bis zu einer Dicke von 300 bis 700 nm
(3000 bis 7000 Å) abgeschieden. Danach werden
Kontaktlöcher auf dem Polysilicium 4, dem Emitterbereich 5 und
dem Basisbereich 3 durch Anpassen einer Maske und
anschließendes Ätzen gebildet. Elektroden 7 und 15 und
Verbindungen 16 (aus Metall wie z. B. Al, Al-Si, Al-Cu-
Si) werden in den Kontaktlöchern durch Bedampfen im
Vakuum oder Sputtern abgeschieden (Fig. 3G).
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Danach wird ein Zwischenschicht-Isolierfilm 12 wie ein
PSG-Film oder ein SiO&sub2;-Film bis zu einer Dicke von 300
bis 900 nm (3000 bis 9000 Å) durch ein CVD-Verfahren
abgeschieden. Zusätzlich wird die Lichtabschirmschicht
(z. B. Al etc.) bis zu einer Dicke von 280 bis 500 nm
(2800 bis 5000 Å) abgeschieden und der Teil der Schicht,
unter dem sich der Lichtempfangsbereich befindet, wird
durch Ätzen entfernt.
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Zuletzt wird eine Passivierungsschicht 11 (wie z. B. ein
PSG-Film oder ein Si&sub3; N&sub4;-Film durch ein CVD-Verfahren
gebildet und hinterher wird eine nicht dargestellte
Kollektorelektrode (aus Metall wie z. B. Al, Al-Si, Au) auf der
Rückseite der Halbleiterscheibe gebildet. So kann ein
photoelektrischer Wandler, wie er in Fig. 2A und 2B
gezeigt ist, hergestellt werden.
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Fig. 4A zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der
Erfindung in Draufsicht und Fig. 4B ist ein Querschnitt
entlang der Linie B-B aus Fig. 4A.
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In den Figuren befindet sich der Basisbereich 3 unter dem
Elektrodenbereich, während der Lichtempfangsbereich nur
aus der epitaktischen n&supmin;-Schicht 2 besteht. Auch in
diesem Fall wird eine Vielzahl von Kontaktlöchern 30
und 31 in der epitaktischen n&supmin;-Schicht 2 gebildet und
Verbindungen 32, etwa aus Metall, sind auf dem
Elementisolationsbereich 6 vorgesehen. Deshalb kann der
innere Widerstand der epitaktischen n&supmin;-Schicht reduziert
werden.
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Wenn auch in den vorangehenden Ausführungsbeispielen der
Widerstand eines langgestreckten und zusammenhängenden
Basisbereichs oder einer langgestreckten und
zusammenhängenden epitaktischen n&supmin;-Schicht durch Verbindungen
verringert wurde, soll sich die Erfindung nicht darauf
beschränken. Zum Beispiel können in einem Fall, wo eine
epitaktische n&supmin;-Schicht in mehrere Abschnitte unterteilt
ist und sich eine Vielzahl von Lichtempfangsbereichen in
einer einzigen Photosensorzelle befindet, jeweilige
Abschnitte der epitaktischen n&supmin;-Schicht verbunden werden,
um den inneren Widerstand zu reduzieren.
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Wie aus der vorangehenden ausführlichen Beschreibung der
Ausführungsbeispiele des photoelektrischen Wandlers zu
ersehen ist, wird, da eine Vielzahl von Punkten aus dem
Bereich, der den Lichtempfangsbereich bildet, durch
Verbindungen leitend verbunden ist, der innere Widerstand
erheblich verringert, so daß ein
Hochgeschwindigkeitsbetrieb möglich ist und das Nachbildphänomen vermieden
werden kann. Darüberhinaus ist eine Miniaturisierung des
Bauelements, ohne die photoelektrische
Umwandlungskennlinie zu verschlechtern, möglich.