DE3829003C2 - Abbildungseinrichtung mit Lawinen-Photodiode - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine
Abbildungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Umwandlung
des Bildes eines Objektes in ein elektrisches Signal. Derartige Abbildungseinrichtungen sind allgemein bekannt; vgl. US-PS 4 498 013.
Die Fig. 8 zeigt beispielsweise
den Aufbau eines derartigen herkömmlichen ladungsgekoppelten Abbildungselementes
(CCD-Element). Das Abbildungselement nach Fig. 8 enthält ein
Halbleitersubstrat 28 vom n-Typ, eine auf dem Halbleitersubstrat 28 liegende
Epitaxieschicht 27 vom p-Typ sowie einen Photodetektor 23 aus einer Schicht
vom n-Typ, die an bzw. innerhalb der Oberfläche der Schicht 27 liegt. Der
Photodetektor 23 sammelt Elektronen, die in Abhängigkeit einfallenden Lichtes
erzeugt werden. Ein CCD-Übertragungsabschnitt 26 enthält eine innerhalb der
Schicht 27 liegende Schicht vom n-Typ zum Empfang gespeicherter Elektronen
vom Photodetektor 23. Eine erste CCD-Übertragungselektrode 24 bildet einen
Kanal innerhalb der Schicht 27, um die Menge der Elektronen
auszulesen, die im Photodetektor 23 gespeichert sind. Eine zweite CCD-
Übertragungselektrode 25 auf der ersten CCD-Übertragungselektrode 24 dient zur
Übertragung der Elektronen am CCD-Übertragungsabschnitt 26. Innerhalb eines
aus diesen Abbildungselementen aufgebauten Feldes ist jedes Element von
benachbarten Elementen durch einen Oxidfilm 22 getrennt.
Fällt Licht von einem Objekt auf den Photodetektor 23, so entstehen Elektronen-
Lochpaare. Die Elektronen dieser Paare werden durch den Photodetektor 23
gesammelt, wobei die Menge der gesammelten Elektronen der Intensität des
einfallenden Lichtes entspricht. Wird eine Spannung an die erste
Übertragungselektrode 24 angelegt, so wird innerhalb der Epitaxieschicht 27 vom p-
Typ und gegenüber der Übertragungselektrode 24 eine Inversionsschicht gebildet (eine sich
nicht im Gleichgewicht befindende Schicht vom n-Typ). Die Inversionsschicht
bildet einen Kanal, durch den Elektronen hindurchfließen können, und zwar
zwischen der n-Typ Schicht des Photodetektors 23 und der n-Typ Schicht des
CCD-Übertragungsabschnittes 26. Die im Photodetektor 23 gesammelten
Elektronen fließen in den CCD-Übertragungsabschnitt 26, der eine Schicht vom
n-Typ enthält. Die in den CCD-Übertragungsabschnitt 26 fließenden Elektronen
werden in Übereinstimmung mit der Potentialmulde bzw. Potentialsenke am
CCD-Übertragungsabschnitt 26 angetrieben. Diese Potentialmulde
(Potentialtopf) wird durch Taktsignale erzeugt, die zur ersten Übertragungselektrode
24 und zur zweiten Übertragungselektrode 25 geliefert werden, so daß die
Elektronenmenge in Form eines Signals ausgelesen werden kann. Mit Hilfe eines
Feldes von CCD-Elementen, die sich entlang zweier quer zueinander verlaufender
Richtungen erstrecken, ist es möglich, das von einem Bild kommende Lichtsignal
in ein elektrisches Lichtsignal umzuwandeln.
Bei der herkömmlichen Abbildungseinrichtung wird einfallendes Licht in ein
elektrisches Signal umgewandelt, und zwar durch eine Photodiode mit einem pn-
Übergang. Durch diese Umwandlung erzeugte Elektronen werden über eine
vorbestimmte Zeit gespeichert und anschließend unter Steuerung der Übertragungselektrode
24 zum CCD-Übertragungsabschnitt 26 geliefert. Die in den CCD-
Übertragungsabschnitt 26 fließenden Elektronen werden weiter übertragen, und
zwar in Abhängigkeit der Modulation der Potentialmulde infolge der
Taktsignale, die an die Übertragungselektroden 24 und 25 angelegt werden. Auf diese Weise läßt
sich ein elektrisches Signal in Übereinstimmung mit dem Bild eines Objektes
erhalten.
Es ist nicht möglich, die Empfindlichkeit der Bildelemente auf
einfallende Strahlung über einen gegebenen Schwellenwert hinaus zu
verbessern, der einer Photodiode mit pn-Übergang zur Umwandlung von Licht in
Elektrizität entspricht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abbildungseinrichtung
mit einer größeren
Empfindlichkeit für das einfallende Licht zu schaffen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den nachgeordneten
Unteransprüchen entnehmen.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine p-i-n Lawinen-Photodiode
(Avalanche-Photodiode) als Einrichtung zur Umwandlung von Licht in Elektrizität verwendet. Eine
Übergitterschicht enthält
abwechselnd Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Energiebandlücken,
wobei die Übergitterschicht als eigenleitende Schicht der Lawinen-
Photodiode verwendet wird. Die Übergitterschicht der Lawinen-Photodiode
läßt sich zum Beispiel mit Hilfe des Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens
herstellen (MBE-Verfahren). Ein Licht in Elektrizität umwandelndes Element
kann auf einem Bereich eines Schalttransistors hergestellt werden, durch den
das Signal von der Photodiode verarbeitet wird.
Da das Licht in Elektrizität umwandelnde Element eine p-i-n
Lawinen-Photodiode enthält, ergibt sich eine sehr hohe Empfindlichkeit für
die Abbildungseinrichtung nach der Erfindung.
Die
Übergitterschicht, die als eigenleitende Schicht der Photodiode verwendet wird,
unterdrückt Rauscherscheinungen, zum Beispiel den Dunkelstrom, so daß die Abbildungseinrichtung
neben einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit nur ein geringes Rauschen
aufweist. Diese Abbildungseinrichtung läßt sich darüber hinaus vorteilhaft in
Größtintegrationstechnik herstellen.
Lawinen-Photodioden mit Übergitterschichten sind an sich
aus "Appl. Phys. Lett." 40 (1982) S. 38-40 bekannt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Abbildungseinrichtung nach einem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Bereich einer Photodiode,
Fig. 2 den schematischen Aufbau der Abbildungseinrichtung in perspektivischer Darstellung mit
sehr vielen der in Fig. 1 gezeigten Photodioden,
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der Abbildungseinrichtung
nach Fig. 2,
Fig. 4(a) bis 4(c) Darstellungen zur Erläuterung des Betriebs der
Abbildungseinrichtung nach Fig. 1,
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Abbildungseinrichtung nach einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Abbildungseinrichtung nach einem
dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 7 ein Energiebanddiagramm zur Erläuterung des Betriebs einer Lawinen-
Photodiode mit einer Übergitterschicht und
Fig. 8 eine Abbildungseinrichtung nach dem Stand der Technik.
Bevor die einzelnen Ausführungsbeispiele nach der Erfindung näher beschrieben
werden, soll zunächst die Wirkungsweise einer in der Erfindung verwendeten Lawinen-
(Avalanche-)Photodiode näher erläutert werden, die eine zusammengesetzte
Übergitterschicht aufweist. Die Fig. 7 zeigt ein Energiebandprofil einer p-i-n
Lawinen-Photodiode mit einer zusammengesetzten Übergitterschicht für
die eigenleitende Schicht, wie sie in "Applied Physics Letters", 40 (1982),
Seite 38-40, beschrieben worden ist. Schichten (a) und
Schichten (b) haben unterschiedliche Energiebandlücken und
sind zueinander abwechselnd angeordnet, um eine eigenleitende Schicht zu bilden, die
zwischen einer Schicht vom p⁺-Typ und einer Schicht vom n⁺-Typ liegt, um Licht
in Elektrizität umzuwandeln. Die unterschiedlichen Energiebandlücken
erzeugen Diskontinuitäten in den Bandkanten. Die
Energiebarrierendiskontinuität ΔEc im Leitungsband und die
Energiebarrierendiskontinuität ΔEv im Valenzband weisen unterschiedliche
Höhen auf, wobei ΔEc größer als ΔEv ist.
Wird keine Vorspannung angelegt, so befinden sich die Schichten (a)
innerhalb des Übergitterbereichs in einem Verarmungszustand, in welchem
keine freien Elektronen und keine freien Löcher existieren. Wird eine Spannung
an die Lawinen-Photodiode angelegt, die größer ist als die Lawinen-
Einschaltspannung für eine konventionelle p-i-n Diode, so ist es möglich, ein
gleichförmiges elektrisches Feld im Übergitterbereich aufzubauen, ohne einen
Strom zu erzeugen, der größer als der Dunkelstrom der Photodiode ist.
Bei der Lawinen-Photodiode mit Übergitterschicht wird zu Beginn des Betriebs eine große
Rückwärtsvorspannung zwischen der p⁺-Typ Schicht und der n⁺-Typ Schicht
angelegt. Fällt in diesem Zustand Licht auf die p⁺-Typ Schicht auf, so werden
Elektronen-Lochpaare erzeugt. Aufgrund der Rückwärtsvorspannung erreichen
die durch dieses Licht erzeugten Elektronen nach Passieren der ersten Übergitter-
Quantenbarriere in der eigenleitenden Schicht eine Schicht (a), in der sie
gesammelt werden. Bei diesen Elektronen handelt es sich um heiße Elektronen,
die eine relativ hohe Energie aufweisen, und zwar aufgrund des großen
elektrischen Feldes, das durch die Rückwärtsvorspannung erzeugt wird. Die
eingesammelten Elektronen können aus der Schicht (a) durch
Stoßionisation herausgestoßen werden, so daß sie die nächste Schicht (a)
erreichen können, wobei sie die dazwischen liegende
Schicht (b) der Übergitterschicht passieren. Diejenigen Elektronen, die die
nächste Schicht (a) erreichen, schlagen wiederum durch Stoßionisation die
in dieser Schicht (a) gesammelten Elektronen aus dieser Schicht (a)
heraus. Die aus der zweiten Schicht (a) herausgeschlagenen Elektronen
erreichen die nächstfolgende Schicht (a) und bewirken ein
Heraustreten von Elektronen aus dieser Schicht (a). Wenn diese
Elektronenejektionen wiederholt erfolgen, tritt der sogenannte Lawineneffekt
auf. Es werden daher sehr viele Elektronen erzeugt, wobei ein
Elektronenfluß zur n⁺-Typ Schicht strömt.
Ist die Bandstruktur der Übergitterschicht geeignet gewählt, bestehen beispielsweise die
Schichten (a) aus GaAs und die Schichten (b) aus
AlxGa1-xAs, so lassen sich die Energiebanddiskontinuitäten im Leitungsband
und Valenzband genau einstellen. Der Elektronenionisationskoeffizient α und
der Löcherionisationskoeffizient β können verschieden voneinander sein, so
daß sich Rausch- und Dunkelströme unterdrücken lassen.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine Lawinen-Photodiode, wie sie
oben beschrieben worden ist, zur
Steuerung der Umwandlung einfallenden Lichtes in ein meßbares elektrisches
Signal verwendet. Die Lawinen-Photodiode weist der Reihe nach eine Schicht
vom p-Typ, eine eigenleitende Schicht und eine Schicht vom n-Typ auf und
enthält eine zusammengesetzte Übergitterschicht als eigenleitende Schicht, so
daß sie rauscharm ist und die Umwandlung von Licht in Elektrizität mit hoher
Empfindlichkeit und hoher Geschwindigkeit durchführen kann. Mit der
Lawinen-Photodiode verbundene Schalteinrichtungen können einen ersten
Betriebszustand einnehmen, um durch die einfallende Lichtenergie erzeugte
Ladungen zu sammeln. Sie können ferner einen zweiten Betriebszustand
einnehmen, um die gesammelten Ladungen auszulesen, wobei ein meßbares
elektrisches Signal erzeugt wird, das ein Maß für die einfallende Lichtenergie ist.
Werden mehrere solcher Photodioden/Schalteinrichtungen matrixförmig zueinander
angeordnet, so lassen sie sich
der Reihe nach auslesen, um ein elektrisches Maß des
sichtbaren Bildes zu gewinnen, das auf der matrixförmigen Abbildungseinrichtung
abgebildet worden ist.
Die Fig. 1 enthält ein Halbleiter-Abbildungselement der Abbildungseinrichtung nach der Erfindung
auf einem Halbleitersubstrat 11 vom p-Typ, das einen Ladungsspeicherbereich
10 vom n⁺-Typ aufweist. Der Ladungsspeicherbereich 10 wird vorzugsweise durch
Eindiffundieren von Verunreinigungen in das Halbleitersubstrat 11 vom p-Typ
gebildet. Eine Übergitterschicht 90 liegt auf dem Ladungsspeicherbereich 10
und enthält abwechselnd Schichten 8 mit kleiner Energiebandlücke, zum Beispiel aus GaAs, und
Schichten 9 mit größerer Energiebandlücke, aus zum Beispiel AlxGa1-xAs. Eine Schicht 7 vom
p⁺-Typ liegt auf der Übergitterschicht 90 und enthält einen Bereich zur Umwandlung
von Licht in Elektrizität. Eine Steuerelektrode 13 dient zum Auslesen der Menge der
in der Schicht 10 gespeicherten Ladung, während eine Schicht 12 vom n⁺-Typ zur
Weiterleitung von Elektronen dient, die ihr von der Schicht 10 zugeführt worden
sind. Die Schicht 12 wird vorzugsweise durch Eindiffundieren von
Verunreinigungen innerhalb des Substrats 11 gebildet, und zwar zu der Zeit, zu der
auch die Schicht 10 vom n⁺-Typ gebildet wird. Die Schicht 12 liegt an bzw. in der
Oberfläche des Substrats 11. In der Struktur nach Fig. 1 enthält die Einrichtung
zur Umwandlung von Licht in Elektrizität die Schicht 7, die Übergitterschicht 90 und die
Schicht 10. Die Schalteinrichtung zum Auslesen der Ladungsmenge umfaßt die
Schicht 10, die Steuerelektrode 13 und die Schicht 12 vom n⁺-Typ. Die Steuerelektrode 13 ist
gegenüber dem Substrat 11 durch einen elektrisch isolierenden Film 14 getrennt.
Die Steuerelektrode 13 und die Bereiche 10 und 12 bilden einen MOSFET, der als
Schalter arbeitet.
Die Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau der Abbildungseinrichtung
mit einer großen Anzahl von Halbleiter-Abbildungselementen nach Fig. 1 in
einer zweidimensionalen Feldanordnung auf einem Halbleiterchip 1. Die in Fig. 2
gezeigten Abbildungselemente 2 erstrecken sich in quer zueinander liegenden
Richtungen, sind also in Horizontalrichtung und in Vertikalrichtung auf der
Oberfläche des Chips 1 angeordnet. Eine Schaltung 3 zur Abtastung in
Horizontalrichtung und eine Schaltung 4 zur Abtastung in Vertikalrichtung
dienen zum Auslesen von Information aus den Abbildungselementen durch
aufeinanderfolgendes bzw. sequentielles Abfragen der Elemente. Die Schaltung 3
zur Abtastung in Horizontalrichtung steuert die in Horizontalrichtung
nebeneinander liegenden Abbildungselemente über Horizontalrichtungs-
Abtastleitungen 6 an. Die Schaltung 4 zur Abtastung in Vertikalrichtung steuert
die in Vertikalrichtung untereinander liegenden Abbildungselemente über
Vertikal-Abtastleitungen 5 an.
In der Fig. 3 ist ein Ersatzschaltbild der Abbildungseinrichtung nach
der Erfindung dargestellt. Wie zu erkennen ist, enthält jedes Halbleiter-
Abbildungselement 2 eine Lawinen-Photodiode APD, die ihrerseits eine
Übergitterschicht enthält, sowie einen MOS-Schalter S zur Übertragung von Elektronen
von der Lawinen-Photodiode zur Signalleitung 6. Unter Bezugnahme auf die
Struktur nach Fig. 1 enthält das Schaltungsdiagramm nach Fig. 3 eine Steuerelektrode
13, die mit einer Vertikalrichtungs-Abtastleitung 5 verbunden ist, sowie eine
Verunreinigungsdiffusionsschicht 12, die mit einer Horizontalrichtungs-
Abtastleitung 6 verbunden ist. Ein Übertragungstorschalter T ist für jede
Horizontalrichtungs-Abtastleitung 6 vorhanden, um die jeweiligen
Horizontalrichtungs-Abtastleitungen 6 nacheinander mit einer
Ausgangssignalleitung 100 zu verbinden, und zwar in Übereinstimmung mit dem
Steuersignal von der Horizontalrichtungs-Abtastschaltung 3.
In Abhängigkeit vom Steuersignal der Horizontalrichtungs-Abtastschaltung 3
wird jede der Horizontalrichtungs-Abtastleitungen 6 nacheinander und
sequentiell mit der Ausgangssignalleitung 100 verbunden. Nachdem die
Abtastung eines Abbildungselementes beendet worden ist, das mit einer
Vertikalrichtungs-Abtastleitung 5 verbunden ist, wird die nächste
Vertikalrichtungs-Abtastleitung mit Hilfe des Steuersignals von der
Vertikalrichtungs-Abtastschaltung 4 ausgewählt. Auf diese Weise läßt sich ein
elektrisches Signal in Übereinstimmung mit einem Bild eines Objektes
erzeugen.
Die Fig. 4(a) bis 4(c) zeigen ein Potentialprofil des Leitungsbandes eines
Abbildungselementes mit Übergitterschicht. Der
Betrieb des Abbildungselementes wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Fig. 1 sowie auf die Fig. 4(a) bis 4(c) näher erläutert. Zunächst wird eine Rückwärtsvorspannung
von geeigneter Größe zwischen den Schichten 7 und 10 angelegt, so
daß die Schicht 7 als Einrichtung zur Umwandlung von Licht in Elektrizität arbeiten
kann. Durch die Vorspannung wird ein hohes elektrisches Feld erzeugt, so
daß innerhalb der Übergitterschicht der Lawineneffekt
auftritt. Ein Potential ΦTG wird an die Steuerelektrode 13 des MOS Schalters gelegt. In
Fig. 4(a) beträgt das Potential ΦTG Null Volt. In diesem Fall speichert die Einrichtung
zur Umwandlung von Licht in Elektrizität Ladungen. Fällt Licht h · ν auf die
Schicht 7 auf, so werden Elektronen-Lochpaare erzeugt, wobei die Elektronen
durch das elektrische Feld beschleunigt werden und die nächste Schicht 8
erreichen. Die Elektronen, die die erste Schicht 8 erreichen,
stoßen andere Elektronen aus dieser Schicht 8 aufgrund von Stoßionisationen
heraus. Diese herausgestoßenen Elektronen erreichen die nächste
Schicht 8, nachdem sie eine dazwischen liegende Schicht 9 durchlaufen
haben. Diejenigen Elektronen, die die nächste Schicht 8 erreichen,
stoßen wiederum mehrere Elektronen aus dieser Schicht 8 heraus, und
zwar wiederum aufgrund von Stoßionisation, so daß letztlich ein Elektronenfluß
in Richtung der nachfolgenden Schichten 8 entsteht. In Übereinstimmung
mit dem Lawinen-Effekt erhöhen diese wiederholten Stoßionisationen
die Anzahl der fließenden Elektronen, so daß letztlich sehr viele Elektronen in
der Schicht 10 gespeichert werden, also im Ladungsspeicherbereich.
Wird gemäß Fig. 4(b) ein Abbildungselement abgetastet, und ist das an der Steuerlelektrode
13 anliegende Potential ΦTG größer als Null, wird also die Steuerelektrode 13 durch das
Ausgangssignal der Vertikalabtastschaltung 4 auf einen hohen Pegel vorgespannt,
so wird eine Inversionsschicht im Substrat gegenüber der Steuerelektrode 13
erzeugt. Es bildet sich daher ein Kanal- bzw. Elektronenweg zwischen den
Schichten 10 und 12 aus. In der Schicht 10 gespeicherte Elektronen fließen durch
den Kanal in die Schicht 12, in der sie über die Signalleitung 6, das Steuertor T und
die Signalleitung 100 ausgelesen werden, wie die Fig. 3 zeigt, und zwar unter
Steuerung der Horizontalrichtungs-Abtastschaltung 3.
Wird das von der Vertikalrichtungs-Abtastschaltung an die Steuerelektrode 13
gelieferte Potential ΦTG wieder Null, so steigt das Potential unterhalb der
Steuerelektrode 13 an, wobei der Elektronenweg verschwindet. Die Schicht 10 wird
wiederum als Ladungsspeicherschicht verwendet. Durch aufeinanderfolgende
Wiederholung dieses Betriebs bei einer vorbestimmten Frequenz ist es möglich,
das Lichtsignal aus dem Feld der Abbildungselemente bei einer vorbestimmten
Rate zu extrahieren, um ein elektrisches Signal in Übereinstimmung mit dem
Bild des Objektes zu gewinnen. Da eine Lawine-Photodiode mit einer
Übergitterschicht als Umwandlungselement zur Umwandlung von Licht in Elektrizität
verwendet wird, ist es möglich, eine relativ große Anzahl von Elektronen auch bei
einer relativ schwachen Intensität des einfallenden Lichts zu speichern. Damit
ist es möglich, die Empfindlichkeit der Abbildungseinrichtung zu erhöhen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Übergitterschicht
verwendet, die abwechselnd Schichten mit kleinerer und Schichten mit größerer
Energiebandlücke aus GaAs bzw. AlxGa1-xAs aufweist. Es kann aber auch eine Übergitterschicht zum
Einsatz kommen, bei der die Schichten mit kleinerer Energiebandlücke aus Indiumphosphid
und die Schichten mit größerer Energiebandlücke aus Indium-Gallium-Arsenid bestehen. In diesem
Fall wird derselbe Effekt wie zuvor erreicht.
Das in Fig. 1
gezeigte Substrat 11 kann aus Silizium bestehen. während der Isolator 14
Siliziumdioxid sein kann, so daß das Schaltelement ein MOSFET ist.
Die Schicht 7 kann eine GaAs-
Schicht vom p⁺-Typ sein, während die Schichten mit kleinerer Energiebandlücke und die
Schichten mit größerer Energiebandlücke in der Übergitterschicht 90 jeweils aus GaAs bzw. AlxGa1-xAs
aufgebaut sind. Die einzelnen Schichten lassen sich mit Hilfe des
Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens der Reihe nach herstellen.
Alternativ dazu können die Schicht 7 und die Übergitterschicht 90 auch aus amorphem
Silizium zusammengesetzt sein, das Wasserstoff, Fluor oder andere Elemente
oder Mischungen von Elementen enthält, die freie Bindungen passivieren. Dabei
kann die Schicht 7 mit Wasserstoff verbundenes
amorphes Silizium vom p⁺-Typ sein, während die Schichten mit geringerer Energiebandlücke
aus mit Wasserstoff verbundenem amorphem Silizium bestehen
können. Die Schichten mit größerer Energiebandlücke können dagegen aus mit Wasserstoff
verbundenem amorphem Siliziumnitrid oder aus hydriertem amorphem
Silizium bestehen, das ein Bandlücken-Einstellelement aufweist, wie zum
Beispiel Stickstoff oder Kohlenstoff.
Es wurde bisher erwähnt, daß eine p⁺-Typ Schicht als Lichteinfallsschicht und
ein n⁺-Typ Bereich als Bereich 10 verwendet werden. Bei diesen
Dotierungsverhältnissen werden die Beweglichkeit und die Lebensdauer der
Elektronen ausgenutzt. Die Leitfähigkeitstypen der einzelnen Bereiche
innerhalb der Einrichtung nach der Erfindung lassen sich aber auch umgekehrt
wählen. So können die Photodetektorschicht 7 eine
Schicht vom n⁺-Typ und die Bereiche 10 und 12 jeweils Bereiche vom p⁺-Typ sein.
Das Substrat 11 wäre dann ein n-Substrat. Bei diesen Verhältnissen würden sich
andere Energiebandlücken-Diskontinuitäten ergeben, wobei ΔEv größer als ΔEc
wäre. Die gesammelten und übertragenen Ladungsträger wären Löcher und keine
Elektronen.
Beim Abbildungselement nach Fig. 1 liegen die Einrichtungen zur Umwandlung
von Licht in Elektrizität und die Schalteinrichtung auf der Oberfläche eines
Halbleitersubstrats und quer zu dieser Oberfläche. Beide Einrichtungen liegen
also nebeneinander. Es ist aber auch möglich, ein Element zur Umwandlung von
Licht in Elektrizität und ein Schaltelement im selben Bereich auf der Oberfläche
eines Substrats zu bilden, so daß ein Aperturverhältnis von nahezu einhundert
Prozent erhalten wird. Die Fig. 5 und 6 zeigen Abbildungselemente nach der
Erfindung mit vergrößertem Aperturverhältnis.
Entsprechend der Fig. 5 enthält ein Abbildungselement eine Kollektorschicht 17
vom n⁺-Typ, die vorzugsweise durch Ionenimplantation von Verunreinigungen
in das Substrat 11 erhalten wird, eine Basisschicht 16 vom p-Typ, die
vorzugsweise durch Ionenimplantation von Verunreinigungen in die
Kollektorschicht 17 erhalten wird und eine Emitterschicht 15 vom n⁺-Typ, die
vorzugsweise durch Ionenimplantation von Verunreinigungen in die
Basisschicht 16 erhalten wird. Entsprechend dem zuvor geschriebenen
Ausführungsbeispiel ist auch hier eine Übergitterschicht 90 vorhanden, die mehrere
aufeinander liegende Schichten 8 und 9 mit jeweils unterschiedlichen
Bandlücken aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt die Übergitterschicht
90 auf dem Emitterbereich 15, wobei auf der Übergitterschicht 90 ein Bereich 7 vom p⁺-
Typ zur Umwandlung von Licht in Elektrizität liegt. Bei diesem Aufbau bilden die
Emitterschicht 15, die Basisschicht 16 und die Kollektorschicht 17 einen
bipolaren Transistor, der als Schaltelement arbeitet, um Information aus
einem Element auslesen zu können, das Licht in Elektrizität umwandelt.
Beim Betrieb werden Elektronen in der Emitterschicht 15 gespeichert und zur
Kollektorschicht 17 in Übereinstimmung mit einer Spannung übertragen, die an
eine Basiselektrode B der Basisschicht 16 angelegt wird. Die zur Kollektorschicht
17 übertragenen Elektronen werden über eine Kollektorelektrode C ausgelesen.
Die Übergitterschicht 90 enthält abwechselnd Schichten 8 mit geringerer Energiebandlücke und
Schichten 9 mit größerer Energiebandlücke und wird mit Hilfe einer herkömmlichen
Niederschlagstechnik gebildet, beispielsweise mit Hilfe des MBE-Verfahrens
(Molekularstrahl-Epitaxieverfahren). Eine Rückwärtsvorspannung V wird an
die Schicht 7 gelegt, um das Licht in Elektrizität umwandelnde Element in
geeigneter Weise vorzuspannen. Das Substrat 11 liegt auf Erdpotential. Beim
Aufbau nach Fig. 5 liegen die Lawinen-Photodiode und das Schaltelement auf
demselben Bereich des Abbildungselementes. Hierdurch läßt sich ein
Abbildungselement-Aperturverhältnis von nahezu einhundert Prozent
erreichen.
Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen anderen Aufbau eines
Abbildungselementes nach der Erfindung mit Übergitter-Struktur. Bei diesem
Aufbau nach Fig. 6 ist der Schalttransistor zum Auslesen von Information ein
MOSFET. Teile der Schicht 7, der Schichten 8
und der Schichten 9 liegen oberhalb des Schalttransistors. Der
Schalttransistor enthält eine Steuerelektrode 13, eine Schicht 10 vom n⁺-Typ,
vorzugsweise durch Diffusion von Verunreinigungen hergestellt, sowie eine
Schicht 12 vom n⁺-Typ, die ebenfalls vorzugsweise in einem Diffusionsschritt
gebildet worden ist. Die durch das Licht in Elektrizität umwandelnde Element gebildeten
Elektronen werden über die Schicht 12 und eine Signalleitung 18 ausgelesen.
Die Signalleitung 18 und die Steuerelektrode 13 sind durch einen Isolationsfilm
14 voneinander getrennt. Die Signalleitung 18 und die Übergitterschicht 90 sind durch
einen zweiten Isolationsfilm 19 voneinander getrennt, der beispielsweise aus Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid oder aus Glas besteht. Die Übergitterschicht 90 und die
Schicht 7 liegen beide wenigstens zum Teil auf dem Isolationsfilm 19 und sind gegenüber
benachbarten Abbildungselementen durch einen Isolationstrennfilm
21 isoliert. Der Film 21 kann zum Beispiel aus demjenigen Isolator bestehen, der
auch zur Bildung des Films 19 verwendet worden ist. Eine Elektrode 20 zum Anlegen
einer Rückwärtsvorspannung an die Schicht 7 liegt auf einem Teil der Schicht
7. Mit der dargestellten Struktur wird ein Aperturverhältnis von nahezu einhundert
Prozent erhalten, wobei sich diese Struktur zur Herstellung in Größtintegrationstechnik
eignet, so daß sich eine komplexe Abbildungseinrichtung realisieren
läßt.
Beim Aufbau nach Fig. 6 ist das Abbildungselement gegenüber benachbarten Abbildungselementen
durch einen Isolationsfilm 21 isoliert, wobei die gewünschte
Isolation aber auch durch Bildung eines Luftspalts zwischen benachbarten Abbildungselementen
erreicht werden kann.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel liegt eine metallische Elektrode auf der
Oberfläche der Schicht 7, um eine Vorspannung an das Licht in Elektrizität umwandelnde
Element anlegen zu können. Die metallische Elektrode kann durch
eine transparente Elektrode ergänzt oder ersetzt werden, zum Beispiel durch eine
Elektrode aus einem transparenten, elektrisch leitenden Oxid, wie zum Beispiel
Indium-Zinn-Oxid.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen wird das Schaltelement zum Auslesen von
Information ein MOSFET oder ein bipolarer Transistor verwendet. Das Schaltelement kann aber auch ein MESFET sein.
Die Einrichtung zum Auslesen des Signals kann alternativ auch eine CCD-Struktur mit
einem Kanal enthalten, wie im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben
worden ist.
Claims (9)
1. Abbildungseinrichtung mit
- einem halbleitenden Substrat (11),
- mehreren auf dem Substrat (11) angeordneten Diodeneinrichtungen zum Umwandeln einfallenden Lichts in elektrische Signale, und
- jeweils einer für jede Diodeneinrichtung auf dem Substrat (11) vorgesehenen Schalteinrichtung, die einen mit der Diodeneinrichtung gemeinsamen ersten Dotierungsbereich aufweist und zum Schalten der elektrischen Signale dient, dadurch gekennzeichnet, daß jede Diodeneinrichtung eine Lawinen-Photodiode mit einer zwischen einer p-leitenden Begrenzungsschicht (7) und einer n-leitenden Begrenzungsschicht (10, 15) ausgebildeten, intrinsischleitenden Übergitterschicht (90) aus Materialien mit unterschiedlichem Bandabstand ist, und daß der erste Dotierungsbereich durch eine der Begrenzungsschichten (7; 10, 15) gebildet wird.
- einem halbleitenden Substrat (11),
- mehreren auf dem Substrat (11) angeordneten Diodeneinrichtungen zum Umwandeln einfallenden Lichts in elektrische Signale, und
- jeweils einer für jede Diodeneinrichtung auf dem Substrat (11) vorgesehenen Schalteinrichtung, die einen mit der Diodeneinrichtung gemeinsamen ersten Dotierungsbereich aufweist und zum Schalten der elektrischen Signale dient, dadurch gekennzeichnet, daß jede Diodeneinrichtung eine Lawinen-Photodiode mit einer zwischen einer p-leitenden Begrenzungsschicht (7) und einer n-leitenden Begrenzungsschicht (10, 15) ausgebildeten, intrinsischleitenden Übergitterschicht (90) aus Materialien mit unterschiedlichem Bandabstand ist, und daß der erste Dotierungsbereich durch eine der Begrenzungsschichten (7; 10, 15) gebildet wird.
2. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Übergitterschicht (90) nur auf dem ersten Dotierungsbereich
ausgebildet ist.
3. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Übergitterschicht (90) den ersten Dotierungsbereich überragt
und die übrigen Teile der Schalteinrichtung wenigstens zum Teil bedeckt.
4. Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat (11) Silizium oder Galliumarsenid ist
und die Übergitterschicht (90) abwechselnd Schichten (8, 9) aus GaAs und
AlxGa1-xAs enthält.
5. Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Übergitterschicht (90) abwechselnd Schichten
aus mit Wasserstoff verbundenem, amorphem Silizium und aus mit Wasserstoff
verbundenem, amorphem Silizium enthält, das durch ein Element
der Gruppe modifiziert ist, die Stickstoff oder Kohlenstoff enthält, wobei
durch das Element die Bandlücke verändert wird.
6. Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Licht durch die p-leitende Begrenzungsschicht
(7) einfällt.
7. Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Dotierungsbereich vom n-Typ ist sowie zur
Ausbildung der Schalteinrichtung als Bipolartransistor der Reihe nach im
Substrat (11) von einem p-Typ Basisbereich (16) und einem n-Typ Kollektorbereich
(17) umgeben ist.
8. Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß auf der dem einfallenden Licht ausgesetzten Begrenzungsschicht
eine transparente, elektrisch leitende Elektrode (20)
angeordnet ist.
9. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die transparente Elektrode (20) aus Metall besteht.
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