DE8700896U1 - Fotodiode - Google Patents

Fotodiode

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Description

Die Erfindung betrifft eine Fotodiode nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Fotodiode, welche hydriertes amorphes Silizium aufweist.
Die heutige Forschung auf dem Gebiet der Optoelektronik hat zu einer Vielzahl von Entwicklungen geführt, in denen fotöempfindliche Elemente verwendet werden. Ein beachtlicher Forschungsaufwand wurde in der Entwicklung von fotoempfindlichen oder fotovoltaischen Anordnungen betrieben, welche aus einer Mehrzahl von fotoempfindlichen Empfängern aufgebaut sind. Fotodioden-Anordnungen finden ihre Anwendung in den Bereichen der Telekommunikation (z.B. optische Fasern und integrierte Optiken oder Bildübertragungsvorrichtungen ), im häuslichen Videobereich (z.B. Kameras mit Halbleiter-Optiken) und in der Industrie (z.B. Fotokopierer und Faksimilegeräte).
08.05.1987
#s S26MI07113-12
Bekannte fotoempfindliche Anordnungen verwenden für gewöhnlich ladungsgekoppelt«= Bauelemente (CCDs = Charge Coupled Device) die auf kristallinem Silizium aufgebaut sind« Diese Anordnungen zeichnen sich durch komplexen Aufbau aus, der wiederum kleine fötoempfindliche Oberflächenbereiche zur Folge hat und benötigen für gewöhnlich eine große Anzahl von Herstellungsschritten während ihrer Herstellung. Im Bereich kurzer Wellenlängen des Lichtes (blau urid ultraviolett) ist die Empfindlichkeit dieser CCDs gering. Weitere zusätzliche Nachteile von CCD-Anordnungen sind: aufwendige Taktsteuerungs-Schaltkreise die benötigt werden, begrenzter Dynamikbereich, begrenzte Spektral- und Leuchtdichtenempfindlichkeit, Übersprechen zwischen benachbarten Elementen, schnelle Sättigung aufgrund der geringen maximal zulässigen Lichtdichte, mangelnde Linearität als Antwort auf Beleuchtung und Kompensationsprobleme zur Aufhebung eines hohen Dunkelstromes.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fotodiode zu schaffen, mittels der wenigstens einer der vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik umgangen wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Erfindungsgemäß wird eine Fotodiode aus hydriertem amorphem Silizium (a-Si:H) geschaffen, welche die verschiedenen Nachteile bekannter CCD-Elemente umgeht. Hydriertes ...(siehe ursprüngl. Beschreibungsseite 3 und ff.)
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amorphes Silizium ist ein Halbleitermaterial mit einer sehr hohen Fotoleitfähigkeit/ die typischerweise im Be= reiüh von 10 liegt* In Abhängigkeit des Herstellungsverfahrens liegt die optische Lücke (optical gap) für a^SiiH variabel zwischen 1/5 eV und 2/2 eV/ wohingegen die optische Energielücke für kristallines Silizium konstant ist und im Bereich von 1,1 eV liegt. Somit kann die Empfindlichkeit von hydriertem amorphem Silizium bezüglich verschiedener Wellenlängen des Lichtes auf optimale werte für Spezielle Beleuchtungszwecke eingestellt werden.
Als Folge seines amorphen Aufbaues sind die optischen Absorptionseigenschaften von a-Si:H denen von kristallinem Silizium, aus denen bisher CCDs gefertigt werden überlegen. Ungefä'ar lOOmal dünnere Filme werden benötigt, um
j eine festgelegte Lichtmenge im sichtbaren Bereich zu absorbieren, wenn anstelle von kristallinem Silizium a-Si:H verwendet wird. Beispielsweise absorbiert eine 1 Mikron dicke Schicht aus a-Si:H ungefähr 95% des sichtbaren Lichtes, wohingegen eine ungefähr 100 Mikron dicke Schicht aus kristallinem Silizium nötig ist, um den gleichen Absorptionsgrad zu erzielen.
Da nur ein relativ dünner Film zur Herstellung eines fotoempfindlichen Elementes unter Verwendung von hydrierten amorphen Silizium nötig ist, können hochwirksame fotoempfindliche Anordnungen oder fotoempfindliche Arrays hergestellt werden. Metallische Kontakte können auf der Unterseite eines jeden Elementes angebracht werden, was die Isolierung einzelner Arrayelemente verbessert ufid den Zugriff oder die Adressierung eines jeden Elementes vereinfacht .
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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19.01.1987 .·'· ··· I · · :**: :* kw&p: 26M107113-01
Es zeigt:
Fig.IA in vereinfachter Schnittdarstellung eine fotoempfindliche Diode gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der allgemeinsten Form;
Fig.IB in graphischer Darstellung die I-V Charakteristik
des Diodenelementes gemäß Fig IA; 10
Fig.IC einen vereinfachten Querschnitt durch eine fotoempfindliche Diode gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig.2 eine genauere Schnittdarstellung einer fotoempfindlichen Diode gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenen Erfindung; und
Fig.3 ein schematisches Blockdiagramm einer fotoempfindliehen Diodenanordnung, welche aus den fotoempfindlichen Dioden gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Gemäß Fig.IA weist ein fotoempfindliches Diodenelement im wesentlichen eine Kathode 1 aus hydriertem amorphem Silizium des "n" Typs und eine Anode 2 aus hydriertem amorphem Silizium des "p+" Typs auf/ wobei die Anode 2 vorzugsweise in die "n" Kathode durch bekannte Mittel, beispielsweise Ionenimplantation etc. implantiert ist. 30
Eine Schicht 3 aus Pyroglas bildet eine transparente Abdeckung über der "p+" Anode 2, wobei durch die Schicht 3 ein externär Artschluß 4 auf die Anode 2 duröhköritäkfcierfc. Unterhalb des Dioderielementes ist ein Anschluß 5 angeordnet der mit der Kathode 1 übeii eine hochdotierte Schicht 6 aus "n" Pölysilizlum verbunden ist, welche einen öhmsehen Kontakt zwisehen der Kathode und den! Metall des
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19.01.1987 y. [.'. I : . .*·. :* KW&P: 26MI07113-01
Anschlusses 5 bildet.
Es ist aus der Halbleitertheorie bekannt, daß ein Strom über eine &rgr;-n-Sperrschicht aufgrund einer Verschiebung von Minoritätsträgern fließt, die thermisch innerhalb einer Diffusionslänge auf jeder Seite der Sperrschicht erzeugt werden. Die Minoritätsträger (Elektronen und Elektronenlöcher) diffundieren in eine Übergangsregion, welche die Sperrschicht umgibt und werden durch das elektrische Feld an der Sperrschicht durch diese geschoben. Für den Fall, daß die Sperrschicht mit Photonen beleuchtet wird, deren Energie größer ist als die Lückenenergie (e ) des Halbleitermaterials, strömt ein zusätzlicher Strom aufgrund der Elektonenlochpaar-Erzeugung (Electronhole-Pair Generation).
Wenn das fotoempfindliche Diodenelement gemäß Fig.IA an einen Leerlaufschaltkreis angeschlossen ist und die Anode 2 und die Kathode 1 durch die Schicht 3 aus Pyroglas beleuchtet werden, führt die optische Erzeugung von Minoritätsträgern zu einer Leerlaufspannung an den Kontakten 4 und 5. Da durch die optische Erzeugung von Elektronenlochpaaren die Minoritätsträgerkonzentration erhöht wird steigt auch die Leerlaufspannung, bis sie einen Grenzwert erreicht, der gleich dem Gleichgewichts-Kontaktpotential ist, der die maximale Durchlaßspannung an der Sperrschicht bildet. Das Auftreten einer Durchlaßspannung an einer beleuchteten Sperrschicht ist auch als fotovoltaischer Effekt bekannt.
Abhängig von der gewünschten Applikation kann das fotoempfindliche Diodeneiement gemäß Fig. lA entweder im 3. oder 4, Quadranten sjeiner I-V Charakteristik betrieben Werden, wie in Fig« IB dargestellt* Im 4* Quadranten ist die Sperrschichtspannung positiv und der Strom über das Diodeneiement ist negativ als Folge des oben erwähnten optisch erzeugten Stromes. In diesem Falle wird von dem
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Element Leistung proportional zur Lichtmenge erzeugt. Die erzeugte Leistung kann dann einem externen Schaltkreis zugeführt werden, der an den Anschlüssen 4 und 5 angeschlossen ist.
5
Fig IC zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine Schottky-Sperrschicht durch Abscheiden einer Schicht 7 aus transparentem Metall wie Gold, Aluminium, Chrom oder Platin über die Schicht aus a-Si:H als Alternative der Ionenimplantation einer "p+"-Anode gebildet wird. Bezüglich der weiteren Einzelheiten und Merkmale der Ausführungsform gemäß Fig. Ic wird auf diejenigen Einzelheiten und Merkmale der Ausführungsform gemäß den Fig. IA und IB verwiesen, da diese im we- sentlichen identisch sind.
Fig. 2 zeigt eine genauere Schnittdarstellung durch ein fotoempfindlich* s Diodenelement gemäß den Ausführungsformen der Fig. lA oder IC.
Bei einer vorzugsweisen Herstellungsmethode wird eine erste Schicht 8 aus Pyroglas (Oxid) mit einer Stärke von ungefähr 0,8 Mikron abgeschieden. Danach wird die bereits erwähnte Schicht 6 aus "n+" Polysilizium mit einer Stärke von ungefähr 0,3 Mikron abgeschieden. Die Schicht 6 aus Polysilizium wird danach mit bekannten Mitteln maskiert und geätzt.
Danach wird die erste Metallschicht 5 (Metall I) mit einer Stärke von ungefähr 0,3 Mikron abgeschieden, maskiert und geätzt. Die Metallschicht 5 erstreckt sich unterhalb nachfolgend abgeschiedener Schichten zu einem externen Kathodenkontakt (nicht dargestellt) zum externen Anschließen des Diodenelementes. Weiterhin erlaubt die Metallschicht 5 eine Bestimmung des Abbruchpunktes während des Ätzvorganges der amorphen Siliziumschicht 1, um den Ätzvorgang an der Polysiliziumschicht abbrechen zu kön-
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nen.
Dcnach wird die Katlioden.sch.icht 1 aus hydriertem amorphen Silizium des "&eegr;" Typs mit einer Stärke von vorzugsweise 0,8 Mikron abgeschieden, maskiert und geätzt, wobei die Metallschicht 5 wie bereits erwähnt als Ätzstop-Barriere dient.
Im nächsten Schritt wird die Schicht 2 des "p+" Typs über der Kathode des "n" Typs abgeschieden, um eine Anode zu bilden. Wie bereits unter Bezugnahme auf die Fig. IA und IC erläutert, kann die Anodenschicht mit bekannten Ionenimplantations-Techniken implantiert werden oder es kann alternativ hierzu ein dünner transparenter Metallfilm auf der Oberseite der Kathodenschicht 1 abgeschieden werden, was zu einer Schottky p-n Sperrschicht führt, wonach der Metallfilm maskiert und geätzt wird. In jedem Falle sollte die Anodenschicht eine vorzugsweise Stärke von 0,01 Mikron aufweisen. Die Struktur mit der Schottky-Sperrschicht ist dann vorzuziehen, wenn eine höhere Empfindlichkeit d3s Diodenelementes im Bereich von blauem und ultraviolettem Licht gewünscht ist.
Über das gesamte Profil der vorhergehenden Schichten wird dann die Schicht 3 aus Pyroglas mit einer Stärke von ungefähr 0,2 Mikron abgeschieden, wonach eine KontaktmaskierunCf und ein Ätz schritt durchgeführt werden, um die Anodenschicht des "p+" Types kontaktieren zu können.
Die Schicht 3 aus Pyroglas dient dazu,, das Diodeneleaient zu passivieren, d.h. gegen Feuchtigkeit, Korrosion etc. zu schützen. Die Schicht 3 aus Pyroglas dient weiterhin als Entspiegelungsschicht, um eine maximale Lichttransmission in die Diode zu ermöglichen. Gemäß der Theorie Von Mfehrschichtfiimen ergibt sich der Reflexionswert R eines Vielrtelwellenf ilmes, wie er durch die Schicht 3 geschaffen wird al S:
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Wobei &eegr; und &eegr; die Brechungsindizes der Substratschicht bzw. des entspiegelnden Viertelwellenfilmes sind* Bei einem erfolgreich erprobten Prototyp gemäß der vorliegenden Erfindung war es für eine Wellenlänge von ungefähr 0,7 um nötig, die Schicht 3 aus Pyroglas 0,18 um dick auszuführen, wobei &eegr; 1,87 und &eegr; 1,5 betrugen.
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Zuletzt wird die anodische Metallschicht 4 mit einer Stärke von 0,8 Mikron auf die Schicht 3 abgeschieden, welche die Anodenschicht des "p+" ^yps durch die oben erwähnte Kontaktmaske kontaktiert. Die abschließende Metallschicht 4 weist ein Muster auf, welches eine ,Reihe von Öffnungen bildet, um die hydrierten amorphen Siliziumschichten beleuchten zu können.
Vorzugsweise werden eine Mehrzahl der fotoempfindlichen Diodenelemente gemäß Fig* 2 auf einem einzelnen Chip hergestellt, um ein Array oder eine Matrix zu bilden, wie sie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist.
Gemäß Fig. 3 weist ein fotoempfindliches Diodenarray 10 eine Mehrzahl von Reihenleitern 11,...12, 13, eine Mehrzahl von Spaltenleitern 14, 15,...16 und eine Mehrzahl von Dioden 2OA - 201 auf, die in den Kreuzungspunkten der Reihen- und Spaltenleiter angeordnet sind. Jeder der Reihenleiter entspricht einer Metallisierungsschicht 4, wie in Fig. 2 dargestellt, während die Spaltenleiter der Metallschicht 5 entsprechen.
Eine Mehrzahl von Reihenkontaktschaltern 21 sind mit den entsprechenden Reihenleitern llr...12, 13 und mit Masse verbunden. Weiterhin ist eine Mehrzahl von Schaltern 22 mit den entsprechenden Spaltenleitern 14, 15,...16 und
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mit dem Eingang eines Erkennungsschaltkreises 23 verbunden.
Der Erkennungsschaitkreis 23 weist vorzugsweise einen Differenzverstärker 24 auf, dessen invertierender Eingang mit einem Punkt verbunden ist, auf den sämtliche Schalter 22 zusammengelegt sind und dessen nicht invertierender Eingang mit Masse verbunden ist. Ein Rückkopplungswider^· stand 25 ist zwischen den Ausgang de? Differenzverstärkers 24 und dem invertierenden Eingang geschaltet und ein Ausgangswiderstand 26 ist zwischen den Ausgang des Differenzverstärkers 24 und Masse geschaltet. Weiterhin ist der Ausgang des Verstärkers 24 mit einem VIDEO-Ausgangsanschluß verbunden, um ein erzeugtes VIDEO-Ausgangssignal zu übertragen.
Bei einem erfindungsgemäßen Prototyp des Array betrug der Wert des Rückkopplungswiderstandes 25 IM und der des Ausgangswiderstandes 26 betrug 50 .
Mit den Reihen- und Spaltenschaltern 21 und 22 ist eine Logiksteuerung 30 verbunden, um einzelne Paare von Reihenünd Spaltenschaltern zu schließen, so daß individuelle Diodenelemente adressierbar sind.
Beim Betrieb erfolgt beim Schließen eines bestimmten Paares von Reihen- und Spaltenschaltern eine Adressierung eines bestimmten Diodenelemeivues 2OA - 201 derart, daß dessen Anodenanschluß über einen der Schalter 21 mit Masse und die Kathode über einen der Schalter 22 mit dem Erkennungsschaltkreis 23 verbunden ist.
Die Menge des fotoelektrisch erzeugten Stromes wird von dem Erkennungsschaltkreis 23 erfaßt, wobei der Strom proportional zu der Lichtmenge ist, welche von dem adressierten Diodenelement absorbiert wurde. Über die Logiksteuerung 30 werden dann aufeinanderfolgende Diodenele-
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mente derart adressiert, daß von dem Erkennungsschaltkreis 23 fin VIDEO-Ausgangssignal erzeugt wird, welches der Lichtmerige enspricht, die auf die verschiedenen Elemente des Arrays IO fällt.
5
Insoweit zusammenfassend zeichnen sich das fotoempfindliche Diodenelement gemäß der vorliegenden Erfindung und ein aus diesem hergestelltes Array dadurch aus, daß sie einfachen Aufbau haben und demzufolge leicht herstellbar
1Ü sind, eine definierte Adressierung eines jeden Elementes beispielsweise über ein Schieberegister möglich ist und ein weiter Dynamikbereich (typischerweise in der Nähe von 1 : 10.000) vorliegt. Weiterhin hat sich herausgestellt, daß die Empfindlichkeit von a-Si:H für blaues und ultraviolettes Licht der von kristallinem Silizium überlegen ist. Die Maximalempfindlichkeit für verschiedene Frequenzen kann eingestellt werden und die lichtempfindliche Oberfläche eines jeden Elementes kann durch die Formgebung der Metallisierungsschicht 4 maximiert werden, um eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Öffnungen zu erhalten, wobei eine ausgedehnte Metallisierungsschicht 5 unter dem Element vorgesehen ist.
Die Elemente in dem Array 10 sind typischerweise voneinander isoliert, wie in Fig. 2 dargestellt, so daß ein übersprechen zwischen benachbarten Elementen nicht mehr vorkommt, was bisher für CCD-Vorrichtungen typisch war. ;Das fotoempfindliche Diodenelement in Verwendung als Array 10 arbeitet in einem Stromzustand, in dem die Diode belastet ist, so daß das Ansprechverhalten sehr linear ist.

Claims (11)

1. Fotoempfxndlxches Diodenelement, gekennzeichnet durch eine erste Schicht (1) aus hydriertem amorphen &eegr;-Silizium/ welche eine Kathode bildet und eine zweite Schicht (2) aus p+ Material, welche eine Anode bildet, wobei die zweite Schicht über der ersten Schicht liegt und für optische Energie durchlässig ist und wobei wenigstens die erste Schicht hoch leitend wird, wenn sie der optischen Energie ausgesetzt ist.
2. Diodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (2) aus p+ Material besteht, welches in die erste Schicht (1) implantiert ist.
3. Diodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die zweite Schicht (2) aus transparentem Metall ist und eine Schottky-Sperrschicht am Über-
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KW&P: 26MI07113-02
gang der ersten und zweiten Schicht bildet.
4. Diodenelement nach einem der Ansprüche 1-3, weiterhin gekennzeichnet durch eine erste Metallschicht (5), welche unter der ersten Schicht (1) einen Kathodenan&mdash; schluß bildet und eine zweite Metallschicht (4) über der zweiten Schicht (2), welche einen Anodenanschluß bildet und eine oder mehrere Öffnungen aufweist, um die erste und zweite Schicht der optischen Energie auszusetzen.
5. Diodenelement nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch eine Schicht (3) aus Pyroglas über der zweiten Schicht (2).
6. Diodenelement nach einem der Ansprüche 1-3, weiterhin gekennzeichnet durch eine Oxidschicht (6) unter der ersten und zweiten Schicht.
7. Diodenelement nach einem der Ansprüche 1-3, weiterhin gekennzeichnet durch eine Substratschicht aus Pyroglas unter der ersten und zweiten Schicht.
8-1 trzafei
von fotoempfindlichen Diodenelementen, insbesondere Diodenelemente nach einem der Ansprüche 1^-T-T dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenelement^in Matrixform mit einer ersten Mehrzahl von Spaitenleitern (14, 15,...16) und einer zweiten Mernrzahl von Reihenleitern (11,... 12, 13), weifte über den Spaltenleitern liegen angeordnet sin<f; wobei die einzelnen Diodenelemente jeden d^Reihen- und Gpaltenleiter derart miteinander^rbinden,, daß die Kathode eines jeden Diodeneljzmentes mit einem entsprechenden Spaltailleiter^afia die Anode mit einem entsprechenden Reihen-
19,01,1987 .ttJ,j ' L' .!»'&Ogr; :' KW&PJ 26&Mgr;&Igr;071&Idigr;3-02
9-, Da 8eezeichnet durch Einrichtungen (21, 22) zürn Adressieren individueller Diodeneiementci über die Reihen- üiid Spaltenleiter und durch eine Erkennungseinrichtung (23) zur Erkennung eines Fotoleit^organges in adressierten Diodenelementen und zur Erzeugung VIDEO-Aüsgängssignäls als Antwort hierauf.
10. Diodenanordnung nach Anspruch 9, dadurch/gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Adressieren eine erste Mehrzahl von Schaltern zum Legen entsprechender Reihenleiter auf Masse und eine zweite Mehrzahl von Schaltern zum Verbinden entsprechender Spaltenleiter mit der Erkennungsvorrichtung/aufweisen und daß eine Steuerlogik (30) vorgesehen/ist, um wahlweise bestimmte Schalter zu schließen/ so daß die entsprechenden Diodenelemente/nacheinander in Reihe mit Masse und der Erfcennungsvorrichtung verbunden werden und somit adressiert sind.
11. Diodenanordnung' nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennungseinrichtung einen invertierenden/Differehzverstärker (24) aufweist, der mit einer (2:2) der beiden Schalteranordnungen verbunden ist,ymn Stromsignale zu verstärken, die von adressierten Diodenelementen erzeugt werden und um das DEO~iaU£
i 8131
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