DE3926200A1

DE3926200A1 - Lichtsteuerbares halbleiterbauelement mit einem feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE3926200A1
Application number: DE3926200A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Kaifler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-08-08
Filing date: 1989-08-08
Publication date: 1991-02-14
Also published as: US5040040A; JPH0378261A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein lichtsteuerbares Halbleiter bauelement mit einem Halbleiterkörper mit den Merkmalen:

a) An die obere Oberfläche des Halbleiterkörper grenzt eine erste Zone des ersten Leitungstyps,
b) in die erste Zone ist eine Zone vom zweiten Leitungstyp ein gebettet, die die Gatezone eines Enhancement-FET bildet,
c) in die Gatezone des Enhancement-FET ist eine Zone vom ersten Leitungstyp eingebettet, die die Sourcezone des Enhancement-FET bildet,
d) in die erste Zone ist eine Zone des zweiten Leitungstyps ein gebettet, die den lichtempfindlichen Bereich eines Fotohalbleiter bauelements bildet,
e) der lichtempfindliche Bereich ist elektrisch mit der Gate elektrode des Enhancement-FET verbunden.

Ein lichtsteuerbares Halbleiterbauelement mit diesen Merkmalen ist z. B. in der DE-OS 29 22 301 beschrieben. Es besteht im we sentlichen aus einem Fototransistor und einem Lateral-FET. Trifft Licht auf den Fototransistor, so wird die Gate-Sourceka pazität des FET aufgeladen und der FET wird leitend gesteuert. Hört die Belichtung auf, so wird die genannte Kapazität über einen Parallelwiderstand entladen und der FET wird gesperrt. Der Lateral-FET bringt es mit sich, daß das beschriebene Halb leiterbauelement für Spannungen in der Größenordnung von mehr als 100 V nicht mehr geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein lichtsteuerbares Halbleiterbauelement der oben erwähnten Gattung derart weiterzu bilden, daß es bei geringem Flächenbedarf auch für höhere Span nungen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch folgende Merkmale gelöst:

f) In die erste Zone ist eine weitere Zone vom zweiten Leitungs typ eingebettet,
g) in die weitere Zone sind die Sourcezone, die Drainzone und die Gatezone eines Depletion-FET eingebettet,
h) der Depletion-FET hat eine Gateelektrode, die elektrisch mit seiner Sourcezone und mit der Sourceelektrode des Enhancement- FET verbunden ist,
i) die Drainzone des Enhancement-FET ist durch die erste Zone gebildet,
h) die Drainzone des Enhancement-FET ist elektrisch mit einem Drainanschluß verbunden, der die Drainzone unterhalb der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers kontaktiert.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbin dung mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Einzel-Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung

Fig. 2 einen teilweisen Schnitt durch ein Foto-Array mit Halbleiterbauelementen gemäß der Erfindung

Fig. 3 eine Aufsicht auf ein Foto-Array nach Fig. 2 und

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Orain-Kontakt für das Foto- Array nach Fig. 2.

Das lichtsteuerbare Halbleiterbauelement nach Fig. 1 hat einen Halbleiterkörper 1, mit einer ersten Zone 2, die an die obere Oberfläche 16 des Halbleiterkörpers 1 angrenzt. Sie ist bei spielsweise n-dotiert. An die Zone 2 grenzt an der Unterseite ein Substrat 3 an, das höher dotiert ist als die erste Zone 2. An der oberen Oberfläche 16 des Halbleiterkörpers 1 ist in die erste Zone 2 eine Zone 4 eingebettet, die die Gatezone eines Enhancement-FET bildet. In die Zone 4 ist eine Zone 7 des ersten Leitungstyps eingebettet, die die Sourcezone des Enhancement- FET bildet. Die Sourcezone 7 ist elektrisch mit der Gatezone 4 verbunden. Die Drainzone des Vertikal-Enhancement-FET wird durch die erste Zone 2 gebildet.

In die erste Zone 2 ist in seitlichem Abstand von der Gatezone 4 eine weitere Zone 5 des zweiten Leitungstyps eingebettet. In die Zone 5 ist eine Drainzone 8, eine Sourcezone 9 und eine Gate zone 10 eingebettet. Die Zonen 8, 9 und 10 bilden einen Lateral- Depletion-FET. Außerdem ist in die erste Zone 2 eine an die obere Oberfläche 16 grenzende Zone 6 des zweiten Leitungstyps eingebettet, die die Anodenzone einer lichtempfindlichen Diode bildet. Der Enhancement-FET ist mit einer Gatelektrode 12 und der Depletion-FET ist mit einer Gatelektrode 14 versehen.

Die Anodenzone der lichtempfindlichen Diode ist mit der Drain zone 8 des Depletion-FET und mit der Gateelektrode 12 des En hancement-FET verbunden. Die Gateelektrode 14 ist einerseits mit der Sourcezone 9 des Depletion-FET und andererseits mit der Sourcezone 7 des Enhancement-FET verbunden. Die Sourcezone 9 des Depletion-FET ist außerdem mit seiner Gatezone elektrisch verbunden. Die Sourcezone 7 des Enhancement-FET hat einen Source anschluß 15.

Anstelle der Fotodiode kann auch ein Fototransistor integriert werden. Zu diesem Zweck ist in die Zone 6 eine Zone 7 vom ersten Leitungstyp eingebettet, die die Emitterzone des Fototransistors bildet. Die Zone 6 ist dann seine Basiszone.

Die untere Oberfläche 17 des Halbleiterkörpers ist mit einer Drainelektrode 18 versehen, die das Substrat 3 kontaktiert. Die Drainelektrode 18 hat einen Drainanschluß 19.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des lichtsteuerbaren Halbleiter bauelements wird angenommen, daß am Sourceanschluß 15 negatives Potential gegenüber dem Drainanschluß 19 liegt und Licht auf die Fotodiode 2, 6 fällt. Dann fließt ein Fotostrom von der Zone 6 zur Gateelektrode 12 des Enhancement-FET und steuert diesen lei tend, sofern seine Einsatzspannung erreicht ist. Dann fließt ein Strom aus der Sourcezone 7 in die Drainzone 2 zum Drainanschluß 19.

Ein geringer Teil des Fotostroms fließt auch durch die Source- Drainstrecke des Depletion-FET zum Sourceanschluß 15 ab. Dieser Teil des Stroms läßt sich jedoch sehr gering halten, da ein Depletion-FET, dessen Gateelektrode mit seinem Sourceanschluß verbunden ist, in bekannter Weise als Strombegrenzer wirkt.

Mit dieser Anordnung der integrierten Bauelemente ist es möglich, einen Vertikal-Enhancement-FET auf einfache Weise durch Licht einzuschalten. Der Vertikal-FET läßt sich für hohe Sperrspan nungen in der Größenordnung von einigen 100 Volt dimensionieren. Oies wird im wesentlichen durch die Dotierung der Zonen 2 und 4, durch die Dicke der Zonen 2 und durch die geometrische Ausbildung der Zonen 4 erreicht, bei der scharfe Kanten vermieden werden müssen. Das Ausführungsbeispiel zeigt jedoch nur das vereinfach te Schema und nicht die reale Ausführung der genannten Zonen.

Nach Aufhören der Belichtung der Fotodiode entlädt sich die Gate- Sourcekapazität des Enhancement-FET über die Drain-Sourcestrecke des Depletion-FET und den Sourceanschluß 15. Der Depletion-FET ist als Stromquelle geschaltet, so daß der Entladestrom auf ei nen definierten Wert einstellbar ist.

Das beschriebene lichtsteuerbare Halbleiterbauelement läßt sich als Einzel-Halbleiterbauelement verwenden. Es ist jedoch auch in einem Foto-Array einsetzbar, in dem in einem Halbleiterkörper mehrere der beschriebenen Anordnungen in Form einer Matrix-Spal ten- und zeilenweise angeordnet sind.

In Fig. 2 ist ein teilweiser Schnitt durch ein solches Array dar gestellt. Gleiche oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 versehen. Das Foto-Array unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 1 hauptsächlich dadurch, daß die erste Zone 2 streifenförmig (Fig. 3) ausgebildet sind. Mehrere die ser streifenförmigen ersten Zonen 2 liegen einander parallel. In jede der streifenförmigen Zonen 2 sind mehrere Einheiten angeord net, die, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, aus je einem Vertikal-FET, einem Depletion-FET und einem Foto-Halbleiterbau element bestehen. Die Zonen 2 sind zweckmäßigerweise auf einem Substrat 20 angeordnet, das den der Zone 2 entgegengesetzten Leitungstyp hat. Das Substrat 20 ist an der unteren Oberfläche mit einer Substratelektrode 21 kontaktiert, die einen Substrat anschluß 22 hat. Die streifenförmigen ersten Zonen 2 sind jeweils mit einem Drainanschluß 23 kontaktiert, der die Zone 2 unterhalb der oberen Oberfläche 16 anschließt. Die einzelnen streifenför migen Zonen 2 sind ferner zweckmäßigerweise durch hochdotierte Bereiche 25 voneinander getrennt, die den der Zone 2 entgegenge setzten Leitungstyp haben.

In Fig. 3 ist gezeigt, daß die Sourceanschlüsse 15 aller der in einer Zeile liegenden Einheiten mit einer Zeilenleitung 26 ver bunden sind. Ebenso ist jede der streifenförmigen Zonen 2 über ihren Drainanschluß 23 mit einer Spaltenleitung 24 verbunden.

Werden nun eine oder einige der beschriebenen Einheiten des Foto-Arrays nach Fig. 2, 3 beleuchtet, so kann durch Abfrage der Spaltenleitungen 24 und der Zeilenleitungen 26 z. B. durch einen Mikroprozessor festgestellt werden, welche der Einheiten be leuchtet sind. Mit dieser Anordnung lassen sich daher kodierte oder in Klarschrift aufgebrachte Zeichen einer beleuchteten Vorlage erkennen.

In Fig. 4 ist eine mögliche Ausführungsart eines Drainanschlusses dargestellt. Hierbei ist wesentlich, daß die Drainzone unter halb der oberen Oberfläche 16 des Halbleiterkörpers kontaktiert wird, um die hohe Sperrfähigkeit des Vertikal-Depletion-FET zu erhalten. Der Drainanschluß 23 kontaktiert die Zone 2 am Boden eines Kontaktlochs 27 unterhalb der oberen Oberfläche 16. Er ist gegen die Wand des Kontaktlochs und die Oberfläche 16 durch eine Isolierschicht 28 isoliert.

Claims

1. Lichtsteuerbares Halbleiterbauelement mit einem Halbleiter körper mit den Merkmalen:

a) An die obere Oberfläche (16) des Halbleiterkörpers (1) grenzt eine erste Zone (2) des ersten Leitungstyps,
b) in die erste Zone (2) ist eine Zone (4) vom zweiten Leitungs typ eingebettet, die die Gatezone eines Enhancement-FET bildet,
c) in die Gatezone des Enhancement-FET ist eine Zone (7) vom ersten Leitungstyp eingebettet, die die Sourcezone des Enhancement- FET bildet,
d) in die erste Zone (2) ist eine Zone (6) vom zweiten Leitungs typ eingebettet, die den lichtempfindlichen Bereich eines Foto halbleiterbauelements bildet,
e) der lichtempfindliche Bereich ist elektrisch mit der Gate elektrode (12) des Enhancement-FET verbunden,

gekennzeichnet durch die Merkmale:

f) in die erste Zone (2) ist eine weitere Zone (5) vom zweiten Leitungstyps eingebettet,
g) in die weitere Zone (5) sind die Sourcezone (9), die Drain zone (8) und die Gatezone (10) eines Depletion-FET eingebettet,
h) der Depletion-FET hat eine Gateelektrode (14), die elektrisch mit seiner Sourcezone (9) und mit der Sourcezone (7) des Enhance ment-FET verbunden ist,
i) die Drainzone des Enhancement-FET ist durch die erste Zone (2) gebildet,
k) die Drainzone des Enhancement-FET ist elektrisch mit einem Drainanschluß (18) verbunden, der die Drainzone unterhalb der oberen Oberfläche (16) des Halbleiterkörpers kontaktiert.

2. Lichtsteuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiter körper eine Vielzahl von ersten Zonen (2) angeordnet ist, daß die ersten Zonen (2) streifenförmig ausgebildet sind und einander parallel liegen, daß in den ersten Zonen matrixartig Einheiten bestehend aus je ein Vertikal-Enhancement-FET, einem Depletion- FET und einem Foto-Halbleiterbauelement angeordnet sind und daß die Sourceanschlüsse (15) aller in einer Zeile liegenden Vertikal- Enhancement-FET mit je einer Zeilenleitung (26) und die ersten Zonen mit je einer Spaltenleitung (24) verbunden sind.

3. Lichtsteuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Zonen (2) auf einem Substrat (20) angeordnet sind, das den der ersten Zone entgegengesetzten Leitungstyp hat und daß das Substrat an ein festes Potential angeschlossen ist.

4. Lichtsteuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Zonen (2) durch Bereiche (25) voneinander getrennt sind, die den der ersten Zone (2) entgegengesetzten Leitungstyp haben.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Foto halbleiterbauelement eine Fotodiode ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fotohalb leiterbauelement ein Fototransistor ist.