EP0935819A1 - Hybride tfa-sensoren mit strahlungssensitiven asic-bauelementen - Google Patents

Hybride tfa-sensoren mit strahlungssensitiven asic-bauelementen

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EP0935819A1
EP0935819A1 EP98938644A EP98938644A EP0935819A1 EP 0935819 A1 EP0935819 A1 EP 0935819A1 EP 98938644 A EP98938644 A EP 98938644A EP 98938644 A EP98938644 A EP 98938644A EP 0935819 A1 EP0935819 A1 EP 0935819A1
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EP
European Patent Office
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integrated circuit
layer sequence
radiation
component according
asic
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Withdrawn
Application number
EP98938644A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus BÖHM
Peter Rieve
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP0935819A1 publication Critical patent/EP0935819A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14665—Imagers using a photoconductor layer
    • H01L27/14667—Colour imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14649—Infrared imagers
    • H01L27/14652—Multispectral infrared imagers, having a stacked pixel-element structure, e.g. npn, npnpn or MQW structures

Definitions

  • the invention relates to a sensor for electromagnetic radiation, formed by a structure of an integrated circuit, in particular an ASIC, on the surface of which a layer sequence sensitive to electromagnetic radiation containing amorphous silicon (a-Si: H) and / or its alloys is applied from an arrangement of pixel units, each pixel unit having a radiation converter in the form of the layer sequence mentioned for converting the incident radiation into an intensity-dependent measured value and means for recording and storing the measured value, and wherein a readout control device is provided for reading out the measured values related to one pixel unit in such a way that the image irradiated onto the sensor can be assembled from the pixel unit-related measured values.
  • a-Si: H amorphous silicon
  • Such electromagnetic radiation sensors are from “H. Fischer, J. Schulte, J. Giehl, M. Böhm, JPM Schmitt, Thin Film on ASIC - A Novel Concept for Intelligent Image Sensors, Mat. Res. Soc. Sy p. Proc, vol. 285, pp. 1139ff. (1992) ".
  • a component designed as an optical sensor is embodied in so-called thin film on ASIC (TFA) technology and consists of an optically active detector layer in the form of a thin layer structure which is vertically mounted on an integrated circuit, for example an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) is integrated.
  • the ASIC contains the matrix-organized pixel unit structure (pixel structure) including the necessary pixel circuits for integrating the photocurrent, for storing the measured values and for reading them out.
  • the optical detector consists of a layer or a multilayer system based on amorphous silicon or its alloys, which converts the incident photons into charge carriers, which are recorded as measured values. The measured values can be given by the instantaneous value of the photocurrent or by the voltage signal which is established on an integrator means after time integration.
  • the two functional components, optical detector and ASIC are separated by an electrically insulating layer, which is only open at the points provided for signal transmission. The detector is contacted via contact layers on both sides.
  • the optical detector of a TFA sensor consists of a thin layer or a thin-layer system made up of several layers of amorphous silicon or its alloys stacked perpendicular to the direction of light propagation.
  • the layer system can comprise a pin photodiode, i. H. the sequence of an n-doped, an intrinsically conductive (intrinsic) and a p-doped amorphous silicon layer, which is applied to an ASIC, for example using the known PECVD method.
  • detectors with spectrally controllable sensitivity are known, which, for. B. consist of multilayer systems of the type piiin, nipiin or other layer sequences, which emerge from the patent applications DE P 44 41 444, 196 37 126.0, 197 10 134.8.
  • Common to all these thin-film components is that their sensitivity due to the bandgap (approx. 1.7 eV) of the material used, e.g. B. amorphous silicon
  • TFA image sensors are due to the comparatively unfavorable transient properties of the optical thin-film detectors, especially the spectrally controllable components.
  • time constants occur when the lighting is changed, which is in the range of a few ⁇ s in the case of pin photodiodes serving as black-and-white detectors, in the range of 0.1 to 1 ms in the case of color sensors of the piiin type and even in the case of nipiin color sensors range to 100 ms and more, whereby a pronounced dependence on the intensity of the illumination striking the sensor can be determined experimentally.
  • H-based thin-film components lie on the one hand in the high density of states in the band gap of the material and the resulting influence on the photogenerated charge carriers (e.g. trapping) and on the other hand, in particular in the case of the color-sensitive components, in the required for the provision of the component structure for the functionality, which, for. B. contains forward operated diodes and local areas with low electric field strength. In these areas, the extraction or reloading of charge carriers takes longer than, for example, with simple pin photodiodes.
  • TFA sensors which only use such thin-film photodiodes on the surface of the ASIC, to the visible spectral range and, in the case of the spectrally controllable detectors, to applications in which very high speeds and frame rates are not required.
  • the invention has for its object to develop a sensor of the type mentioned in such a way that its spectral sensitivity is expanded and its transient properties are improved.
  • At least one further radiation-sensitive element is integrated in the ASIC.
  • additional photoactive components can perform different functions, some of which are explained below. These components are those based on crystalline silicon (x-Si), the dominant material for integrated electronic circuits, for example photodiodes, photogates or phototransistors.
  • x-Si crystalline silicon
  • the band gap of x-Si is 1.1 eV smaller than that of the amorphous variant of the material. For this reason, crystalline silicon has a sensitivity range that extends beyond the visible range Spectral range extends into the near infrared (up to approx. 1100 nm wavelength).
  • An additional photodiode or another photoactive component based on x-Si which is integrated in the ASIC part of a TFA sensor, can therefore expand the spectral range of the sensitivity of the sensor in the direction of infrared.
  • the additional infrared sensitivity can either simply be added to that present in the visible light range, or a spectral separation into visible and infrared light is carried out, the individual portions of the light u.
  • U assume different functions, for example in such a way that the visible portion of the light represents the optical image content of the recorded image and the infrared portion is available as an additional channel for further information.
  • a correlation between signals emitted by the user and reflected by image bodies can be carried out.
  • Known component structures are available with respect to the correlation method, for example: B. a lateral arrangement of two charge stores acting as optical mixers (R. Schwarte, Z. Xu, H. Heinol, J. Olk, B. Buxbau, H. Fischer, J. Schulte, “A new electro-optical mixing and correlating sensor : Facilities and Applications of this Photonic Mixer Device (PMD) ", Sensors, Sensor Systems and Data Processing, SPIE-EOS, Vol. 3100, 254-259, 1997).
  • PMD Photonic Mixer Device
  • the x-Si-based photosensitive components in the ASIC are located laterally next to the thin-film components.
  • the measurement signals of the ASIC photosensitive devices are added to those of the thin-film photodetectors, so that the sensitivity is superimposed.
  • This variant is primarily suitable for extending the spectral range of a TFA sensor into the infrared. However, there is generally no selection for the visible and infrared portion of the incident radiation.
  • the additional photodetectors made of crystalline silicon can be arranged under the thin-film detectors, and the metal back electrode of the thin-film photodiodes can be interrupted at these points.
  • the said back electrode can also be made of a transparent and conductive material (TCO, Transparent Conductive Oxide) and then need not necessarily be interrupted.
  • TCO Transparent Conductive Oxide
  • the thin-film system located above the crystalline detectors largely absorbs the incident visible radiation and essentially only allows the infrared portion to pass into the ASIC photo elements.
  • This structure is therefore primarily suitable for applications in which the functions of the different spectral components are to be divided, e.g. B. in the correlation method or in signal delay measurements. Any interfering parts of the visible light are shielded from the layers above.
  • FIG. 1 Schematic cross section through a
  • Pixel unit of an exemplary embodiment of a first sensor according to the invention Pixel unit of an exemplary embodiment of a first sensor according to the invention
  • a p-type silicon substrate 01 carries the ASIC, which consists of an arrangement of transistors forming the pixel circuits, one of which, by way of example, formed by a nominal diffusion 02, each has a p + source and drain diffusion 03, 04 and the polysilicon gate electrode 09 is shown.
  • This can be implemented, for example, as a pin photodiode or generally as a multilayer system made of amorphous silicon layers.
  • a TCO layer 17 forms the front contact of the a-Si: H photodiode and optionally covers further areas of the structure.
  • the thin-film detector 18, which consists of the a-Si: H Photodiode 16, the back electrode 14 and the front contact 17 can be enclosed by insulating regions 15, which carry out electrical insulation of adjacent thin-film detectors.
  • the configuration as far as described so far, generally represents an optical sensor using TFA technology.
  • this structure is supplemented by further radiation-sensitive components in the ASIC, an example of a detector 19 in the form of a p + n photodiode being shown in FIG. 1, which consists of an n-tub diffusion 05 contacted by an n + diffusion 07 and a p + diffusion 06, which are available as part of a CMOS process.
  • a detector 19 in the form of a p + n photodiode being shown in FIG. 1, which consists of an n-tub diffusion 05 contacted by an n + diffusion 07 and a p + diffusion 06, which are available as part of a CMOS process.
  • other component structures e.g. B. photogates or phototransistors can be used.
  • the two optoelectronic transducers When the structure is illuminated, the two optoelectronic transducers produce measurement signals which are dependent on the illumination and on the spectral sensitivity of the transducers.
  • the measurement signal In the case of the crystalline detector 19 located in the ASIC, the measurement signal is additionally influenced by the transmission of the insulation layers lying above it.
  • the two measurement signals can be linked to one another, the linkage consisting, for example, of an addition of the photocurrents, or can be processed separately.
  • the sensitivity ranges of the transducers In the case of the thin-film detector 18, the sensitivity ranges of the transducers generally extend to the visible spectral range, while the crystalline detector 19 also has an additional sensitivity in the infrared.
  • FIG. 2 and 3 show cross-sectional sketches of further exemplary embodiments of a sensor according to the invention.
  • these examples have the x-Si detector 19 below the thin-film detector 18, so that the multilayer system of the latter represents an additional filter function for the x-Si detector 19.
  • the two variants differ in that, in the case of FIG. 2, the metallic back electrode 14 of the thin-film detector 18 is interrupted at the point at which the x-Si detector 19 is located, while in the exemplary embodiment in FIG. 3 the Back electrode 21 of the thin-film detector 18 consists of a transparent and conductive material, for. B. from a TCO, which also extends over the optically active surface of the x-Si detector 19.
  • the short-wave portions of the illumination striking the sensor which are in the visible spectrum, are already absorbed in the thin-film system in accordance with the optical properties of the thin-film detector 18 and do not penetrate as far as the x-Si detector 19, to which only the long-wave, infrared spectral components, which are not absorbed in the thin-film system.
  • a spectral separation between the visible and infrared components of the lighting can be made.
  • the two resulting measurement signals are therefore assigned to different spectral ranges and can be used for different functions of the sensor with separate further processing.
  • the thin-film detector can record the weimensional image of an image scene, while the infrared-sensitive x-Si detector is used for a distance determination by means of a transit time or correlation method, as has already been explained above.
  • the faster transient behavior of components made of crystalline silicon compared to a-Si: H-based thin-film photodetectors can be used here.
  • the exemplary embodiments described above each contain a single x-Si detector within the ASIC in the form of a p + n photodiode. It should be expressly pointed out that several radiation-sensitive components can be integrated in the ASIC and that alternative component structures, e.g. B. Phototransistoern or Photogates can also be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor für elektromagnetische Strahlung, gebildet durch eine Struktur aus einem integrierten Schaltkreis, insbesondere einem ASIC, auf dessen Oberfläche eine für elektromagnetische Strahlung sensitive Schichtenfolge (16) enthaltend amorphes Silizium (a-Si:H) und/oder dessen Legierungen aufgebracht ist, bestehend aus einer Anordnung von Bildpunkteinheiten (20), wobei jede Bildpunkteinheit (20) einen Strahlungswandler (18) in Form der genannten Schichtenfolge zum Umwandeln der einfallenden Strahlung in einen intensitätsabhängigen Messwert und Mittel zum Erfassen und Abspeichern des Messwertes aufweist. Um einen solchen Sensor hinsichtlich seiner spektralen Empfindlichkeit zu erweitern und in bezug auf seine transienten Eigenschaften zu verbessern, wird mindestens ein weiteres strahlungsempfindliches Bauelement (19) im ASIC integriert, dessen Messsignal dem mit Hilfe des auf der Oberfläche des ASIC befindlichen Wandlers generierten Messsignal überlagert oder separat weiterverarbeitet werden kann.

Description

Hybride TFA-Sensoren mit strahlungssensitiven ASIC-Bauelementen
Die Erfindung betrifft einen Sensor für elektromagnetische Strahlung, gebildet durch eine Struktur aus einem integrierten Schaltkreis, insbesondere einem ASIC, auf dessen Oberfläche eine für elektromagnetische Strahlung sensitive Schichtenfolge enthaltend amorphes Silizium (a-Si:H) und/oder dessen Legierungen aufgebracht ist, bestehend aus einer Anordnung von Bildpunkteinheiten, wobei jede Bildpunkteinheit einen Strahlungswandler in Form der genannten Schichtenfolge zum Umwandeln der einfallenden Strahlung in einen intensitätsabhängigen Meßwert und Mittel zum Erfassen und Abspeichern des Meßwertes aufweist und wobei eine Auslesesteuereinrichtung für das jeweils auf eine Bildpunkteinheit bezogene Auslesen der Meßwerte vorgesehen ist derart, daß aus den bildpunkteinheitsbezogenen Meßwerten das auf den Sensor eingestrahlte Bild zusammensetzbar ist.
Derartige elektromagnetische Strahlungssensoren sind aus „H. Fischer, J. Schulte, J. Giehl, M. Böhm, J. P. M. Schmitt, Thin Film on ASIC - A Novel Concept for Intelligent Image Sensors, Mat . Res . Soc. Sy p. Proc, Vol. 285, S. 1139ff. (1992)" bekannt. Ein solches als optischer Sensor ausgeführtes Bauelement ist in sogenannter Thin Film on ASIC (TFA) -Technologie ausgebildet und besteht aus einer optisch aktiven Detektorschicht in Form einer Dünnschichtstruktur, welche vertikal auf einem integrierten Schaltkreis, beispielsweise einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) integriert ist. Der ASIC enthält hierbei die matrixorganisierte Bildpunkteinheitsstruktur (Pixelstruktur) einschließlich der erforderlichen Pixelschaltkreise zur Integration des Photostromes, zur Speicherung der Meßwerte und zu deren Auslese. Der optische Detektor besteht aus einer Schicht oder einem Mehrschichtsystem auf der Basis amorphen Siliziums oder dessen Legierungen, welches die einfallenden Photonen in Ladungsträger umwandelt, die als Meßwerte erfaßt werden. Die Meßwerte können dabei durch den Momentanwert des Photostromes oder durch das Spannungssignal gegeben sein, welches sich nach zeitlicher Integration auf einem Integratormittel einstellt. Die beiden funktionalen Komponenten optischer Detektor und ASIC sind durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt, die lediglich an den für die Signalübergabe vorgesehenen Stellen geöffnet ist. Die Kontaktierung des Detektors erfolgt über Kontaktschichten auf beiden Seiten.
Der optische Detektor eines TFA-Sensors besteht aus einer dünnen Schicht oder einem Dünnschichtsystem aus mehreren senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung gestapelten Schichten aus amorphem Silizium oder dessen Legierungen. Beispielsweise kann das Schichtsystem eine pin-Photodiode umfassen, d. h. die Abfolge einer n-dotierten, einer eigenleitenden (intrinsischen) und einer p-dotierten amorphen Siliziumschicht, welche beispielsweise mit Hilfe des bekannten PECVD-Verfahrens auf einem ASIC aufgebracht wird.
Des weiteren sind Detektoren mit spektral steuerbarer Empfindlichkeit bekannt, welche z. B. aus Mehrschichtsystemen vom Typ piiin, nipiin oder weiteren Schichtenfolgen bestehen, die aus den Patentanmeldungen DE P 44 41 444, 196 37 126.0, 197 10 134.8 hervorgehen. Gemeinsam ist all diesen Dünnschichtbauelementen, daß ihre Empfindlichkeit infolge des Bandabstandes (ca. 1,7 eV) des verwendeten Materials, z. B. amorphes Silizium
(a-Si:H), im wesentlichen auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums begrenzt ist
(typischerweise 350 bis 750 nm Wellenlänge) . Erweiterungen in die nahen UV- bzw. IR-Bereiche sind unter Verwendung spezieller Legierungen möglich.
Ein Nachteil derartiger TFA-Bildsensoren ist durch die vergleichsweise ungünstigen transienten Eigenschaften der optischen Dünnschichtdetektoren, speziell der spektral steuerbaren Bauelemente begründet. Je nach Ausführungsform und Funktionalität treten bei Beleuchtungswechsel Zeitkonstanten auf, die bei als Schwarz-Weiß-Detektoren dienenden pin-Photodioden im Bereich weniger μs, bei Farbsensoren vom Typ piiin im Bereich um 0,1 bis 1 ms liegen und bei nipiin- Farbsensoren bis hin zu 100 ms und mehr reichen, wobei experimentell eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Intensität der auf den Sensor treffenden Beleuchtung festzustellen ist. Die Ursachen für diese transienten Eigenschaften der a-Si :H-basierten Dünnschichtbauelemente liegen einerseits in der hohen Zustandsdichte in der Bandlücke des Materials und der daraus resultierenden Beeinflussung der photogenerierten Ladungsträger (z. B. Trapping) und andererseits, insbesondere bei den farbsensitiven Bauelementen, in der für die Bereitstellung der für die Funktionalität erforderlichen Bauelementstruktur, welche z. B. in Vorwärtsrichtung betriebene Dioden und lokale Bereiche mit niedriger elektrischer Feldstärke enthält. In diesen Bereichen nimmt die Extraktion bzw. das Umladen von Ladungsträgern längere Zeit in Anspruch als beispielsweise bei einfachen pin-Photodioden. Die vorstehend skizzierten Eigenschaften beschränken den Einsatz der TFA-Sensoren, welche derartige Dünnschicht- Photodioden auf der Oberfläche des ASIC ausschließlich verwenden, auf den sichtbaren Spektralbereich und im Falle der spektral steuerbaren Detektoren auf Anwendungen, bei denen keine sehr hohen Geschwindigkeiten und Bildfolgeraten gefordert sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß seine spektrale Empfindlichkeit erweitert wird und seine transienten Eigenschaften verbessert werden.
Das vorstehend spezifizierte Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Bildpunkteinheit mindestens ein weiterer für elektromagnetische Strahlung sensitiver optoelektronischer Wandler zugeordnet ist, welcher Teil des integrierten Schaltkreises ist.
Außer der in der TFA-Technologie üblichen photoaktiven Schicht, welche sich auf der Oberfläche des ASIC befindet, wird mindestens ein weiteres strahlungsempfindliches Element im ASIC integriert. Diese zusätzlichen photoaktiven Bauelemente können unterschiedliche Funktionen übernehmen, von denen einige im folgenden erläutert sind. Es handelt sich bei diesen Bauelementen um solche, welche auf kristallinem Silizium (x-Si), dem beherrschenden Material für integrierte elektronische Schaltungen, basieren, beispielsweise um Photodioden, Photogates oder Phototransistoren. Der Bandabstand von x-Si ist mit 1,1 eV kleiner als der der amorphen Variante des Materials. Kristallines Silizium verfügt aus diesem Grunde über einen Empfindlichkeitsbereich, welcher sich über den sichtbaren Spektralbereich hinaus in das nahe Infrarot erstreckt (bis ca. 1100 nm Wellenlänge) . Eine zusätzliche Photodiode oder ein sonstiges photoaktives Bauelement auf der Basis x-Si, welches in den ASIC-Teil eines TFA- Sensors integriert ist, kann mithin den Spektralbereich der Empfindlichkeit des Sensors in Richtung Infrarot erweitern. Hierbei kann die zusätzliche Infrarot- Empfindlichkeit entweder einfach zu der im Bereich des sichtbaren Lichtes vorhandenen addiert werden, oder es wird eine spektrale Trennung in sichtbares und infrarotes Licht vorgenommen, wobei die einzelnen Anteile des Lichtes u. U. unterschiedliche Funktionen übernehmen, beispielsweise derart, daß der sichtbare Anteil des Lichtes den optischen Bildinhalt des aufgezeichneten Bildes repräsentiert und der infrarote Anteil als zusätzlicher Kanal für weitere Informationen zur Verfügung steht.
In diesem Zusammenhang kann beispielsweise von den in der erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeit des kristallinen Siliziums begründeten besseren transienten Eigenschaften Gebrauch gemacht werden, welche je nach Ausführung des Bauelements Frequenzen im MHz-Bereich und darüber unterstützen. Ein derartiger hybrider TFA-Sensor erlaubt es, mit Hilfe des auf dem ASIC befindlichen Dünnschichtsystems die langsam veränderlichen Signale zu detektieren, während die x-Si-Bauelemente im ASIC die schnellen Veränderungen erfassen.
Anwendungen, bei denen das überlegene transiente Verhalten eines Bauelementes aus kristallinem Silizium in Kombination mit optischen Sensoren in TFA-Technologie ausgenutzt wird, sind beispielsweise im Zusammenhang mit der Verwendung von gepulstem oder moduliertem IR-Licht gegeben, welches zur Gewinnung zusätzlicher Bild- Informationen ausgesendet, detektiert und ausgewertet wird. So können die vergleichsweise schnellen x-Si- Bauelemente im ASIC-Teil eines TFA-Sensors z. B. dazu verwendet werden, zusätzlich zum sichtbaren Bildinhalt durch die Messung der Signallaufzeit bei vom Anwender ausgesendeten und von in der Bildszene befindlichen Gegenständen reflektierten IR-Impulsen eine Abstandsbestimmung vorzunehmen, so daß sich in Kombination mit dem zweidimensionalen sichtbaren Bildinhalt eine dreidimensionale Darstellungsform der analysierten Bildszene ergibt.
Des weiteren kann mit Hilfe eines bekannten Korrelationsverfahrens unter Verwendung von entsprechend moduliertem Licht eine Korrelation zwischen vom Anwender ausgesendeten und von Bildkörpern reflektierten Signalen durchgeführt werden. In bezug auf das Korrelationsverfahren stehen bekannte Bauelementstrukturen zur Verfügung, so z. B. eine laterale Anordnung zweier als optischer Mischer wirkender Ladungsspeicher (R. Schwarte, Z. Xu, H. Heinol, J. Olk, B. Buxbau , H. Fischer, J. Schulte, „A new electrooptical mixin-g and correlating sensor: Facilities and Applications of this Photonic Mixer Device (PMD)", Sensors, Sensor Systems and Data Processing, SPIE-EOS, Vol. 3100, 254-259, 1997).
Bezüglich der oben beschriebenen Integration eines photoaktiven Bauelements in den ASIC-Teil eines TFA- Sensors sind unterschiedliche technologische Varianten möglich, welche im folgenden beschrieben werden.
Die x-Si-basierten photoempfindlichen Bauelemente im ASIC befinden sich lateral neben den Dünnschichtbauelementen. In diesem Fall können beispielsweise die Meßsignale der photoempfindlichen ASIC-Bauele ente zu denen der Dünnschicht-Photodetektoren addiert werden, so daß eine Überlagerung der Empfindlichkeiten resultiert. Diese Variante eignet sich vorrangig für eine Erweiterung des Spektralbereichs eines TFA-Sensors in das Infrarot. Es findet jedoch in der Regel keine Selektion nach sichtbarem und infrarotem Anteil der auftreffenden Strahlung statt.
Alternativ dazu können die zusätzlichen Photodetektoren aus kristallinem Silizium unter den Dünnschichtdetektoren angeordnet sein, wobei die metallische Rückelektrode der Dünnschicht-Photodioden an diesen Stellen unterbrochen sein kann. Die genannte Rückelektrode kann auch aus einem transparenten und leitfähigen Material (TCO, Transparent Conductive Oxide) ausgeführt sein und muß dann nicht notwendigerweise unterbrochen sein. In diesem Fall bewirkt das über den kristallinen Detektoren befindliche Dünnschichtsystem eine weitgehende Absorption der auftreffenden sichtbaren Strahlung und läßt im wesentlichen nur den infraroten Anteil in die ASIC- Photoelementen passieren. Diese Struktur eignet sich mithin in erster Linie für Anwendungen, bei denen eine Aufteilung der Funktionen der verschiedenen Spektralanteile vorgenommen werden soll, z. B. beim Korrelationsverfahren oder bei Signallaufzeitmessungen. Hierbei eventuell störende Anteile des sichtbaren Lichtes werden von den oberhalb liegenden Schichten abgeschirmt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen Fig. 1: Schematischer Querschnitt durch eine
Bildpunkteinheit eines Ausführungsbeispiels eines ersten erfindungsgemäßen Sensors,
Fig. 2: Schematischer Querschnitt durch eine Bildpunkteinheit eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors,
Fig. 3: Schematischer Querschnitt durch eine Bildpunkteinheit eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors .
In Fig. 1 ist schematisch ein Schnittbild durch eine typische Konfiguration einer Bildpunkteinheit 20 eines TFA-Sensors mit einem im ASIC-Teil befindlichen zusätzlichen Photodetektor in Form einer p+n-Photodiode dargestellt, welche lateral neben der Dünnschicht- Photodiode angeordnet ist. Ein p-leitendes Silizium- Substrat 01, trägt dabei den ASIC, welcher aus einer Anordnung von die Pixelschaltungen bildenden Transistoren besteht, von denen exemplarisch einer, gebildet durch eine n— annendiffusion 02, je eine p+-Source- und Draindiffusion 03, 04 und die Polysilizium-Gateelektrode 09, dargestellt ist. Verschiedene Metallschichten 10, 12, welche durch Isolationsschichten 08, 11, 13 elektrisch voneinander getrennt sind, stellen die elektrischen Verbindungen der Pixelschaltungen und den Kontakt zur Rückelektrode 14 der a-Si : H-Photodiode 16 her. Diese kann beispielsweise als pin-Photodiode oder allgemein als Mehrschichtsystem aus amorphen Siliziumschichten ausgeführt sein. Eine TCO-Schicht 17 bildet den Frontkontakt der a-Si : H-Photodiode und bedeckt gegebenenfalls weitere Bereiche der Struktur. Der Dünnschicht-Detektor 18, welcher aus der a-Si:H- Photodiode 16, der Rückelektrode 14 und dem Frontkontakt 17 besteht, kann von isolierenden Bereichen 15 eingeschlossen sein, die eine elektrische Isolation benachbarter Dünnschicht-Detektoren vornehmen. Die Konfiguration, soweit bislang beschrieben, stellt allgemein einen optischen Sensor in TFA-Technologie dar.
Diese Struktur wird im Rahmen der Erfindung um weitere strahlungssensitive Bauelemente im ASIC ergänzt, wobei in Fig. 1 exemplarisch ein Detektor 19 in Form einer p+n- Photodiode dargestellt ist, welche aus einer durch eine n+-Diffusion 07 kontaktierten n--Wannendiffusion 05 und einer p+-Diffusion 06 besteht, welche im Rahmen eines CMOS-Prozesses zur Verfügung stehen. Alternativ können auch andere Bauelementstrukturen, z. B. Photogates oder Phototransistoren zum Einsatz kommen.
Unter Beleuchtung der Struktur stellen sich bei den beiden optoelektronischen Wandlern Meßsignale ein, die von der Beleuchtung sowie von der spektralen Empfindlichkeit der Wandler abhängig sind. Im Falle des im ASIC befindlichen kristallinen Detektors 19 wird das Meßsignal zusätzlich von der Transmission der darüberliegenden Isolationsschichten beeinflußt. Die beiden Meßsignale können einerseits miteinander verknüpft werden, wobei die Verknüpfung beispielsweise in einer Addition der Photoströme bestehen kann, oder separat weiterverarbeitet werden. Die Empfindlichkeitsbereiche der Wandler erstrecken sich im Falle des Dünnschicht- Detektors 18 in der Regel auf den sichtbaren Spektralbereich, während der kristalline Detektor 19 überdies eine zusätzliche Empfindlichkeit im Infrarot aufweist.
Die Abb. 2 und 3 zeigen Querschnittskizzen weiterer Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Sensors. Bei diesen Beispielen befindet sich jedoch im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen der x-Si-Detektor 19 unterhalb des Dünnschicht-Detektors 18, so daß das Mehrschichtsystem des letztgenannten eine zusätzliche Filterfunktion für den x-Si-Detektor 19 darstellt. Die beiden Varianten unterscheiden sich dahingehend, daß im Falle der Abb. 2 die metallische Rückelektrode 14 des Dünnschicht-Detektors 18 an der Stelle unterbrochen ist, an der sich der x-Si-Detektor 19 befindet, während bei dem Ausführungsbeispiel in Abb. 3 die Rückelektrode 21 des Dünnschicht-Detektors 18 aus einem transparenten und leitfähigen Material besteht, z. B. aus einem TCO, das sich auch über die optisch aktive Fläche des x-Si- Detektors 19 erstreckt. Bei diesen Anordnungen werden entsprechend den optischen Eigenschaften des Dünnschicht- Detektors 18 die kurzwelligen, im Bereich des sichtbaren Spektrums gelegenen Anteile der auf den Sensor treffenden Beleuchtung bereits im Dünnschichtsystem absorbiert und dringen nicht bis zum x-Si-Detektor 19 vor, auf den lediglich die langwelligen, infraroten spektralen Anteile auftreffen, welche im Dünnschichtsystem nicht absorbiert werden. Auf diese Weise kann eine spektrale Trennung zwischen den sichtbaren und infraroten Anteilen der Beleuchtung vorgenommen werden. Die beiden sich ergebenden Meßsignale sind mithin verschiedenen Spektralbereichen zugeordnet und können bei separater Weiterverarbeitung für unterschiedliche Funktionen des Sensors genutzt werden. Beispielsweise kann der Dünnschicht-Detektor das weidimensionale Bild einer Bildszene aufzeichnen, während der infrarotempfindliche x-Si-Detektor für eine AbStandsbestimmung mittels eines Laufzeit- oder Korrelationsverfahrens verwendet wird, wie bereits oben erläutert wurde. Hierbei kann von dem im Vergleich zu a-Si :H-basierten Dünnschicht-Photodetektoren schnelleren transienten Verhalten von Bauelementen aus kristallinem Silizium profitiert werden. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele enthalten jeweils einen einzigen x-Si-Detektor innerhalb des ASIC in Form einer p+n-Photodiode. Es soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß auch mehrere strahlungsempfindliche Bauelemente im ASIC integriert werden können und daß alternative Bauelementstrukturen, z. B. Phototransistoern oder Photogates, ebenfalls eingesetzt werden können.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Sensor für elektromagnetische Strahlung, gebildet durch eine Struktur aus einem integrierten Schaltkreis, insbesondere einem ASIC, auf dessen Oberfläche eine für elektromagnetische Strahlung sensitive Schichtenfolge enthaltend amorphes Silizium (a-Si:H) und/oder dessen Legierungen aufgebracht ist, bestehend aus einer Anordnung von Bildpunkteinheiten, wobei jede Bildpunkteinheit einen Strahlungswandler in Form der genannten Schichtenfolge zum Umwandeln der einfallenden Strahlung in einen intensitätsabhängigen Meßwert und Mittel zum Erfassen und Abspeichern des Meßwertes aufweist und wobei eine Auslesesteuereinrichtung für das jeweils auf eine Bildpunkteinheit bezogene Auslesen der Meßwerte vorgesehen ist derart, daß aus den bildpunkteinheitsbezogenen Meßwerten das auf den Sensor eingestrahlte Bild zusammensetzbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jeder Bildpunkteinheit (20) mindestens ein weiterer für elektromagnetische Strahlung sensitiver optoelektronischer Wandler (19) zugeordnet ist, welcher Teil des integrierten Schaltkreises ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere optoelektronische Wandler (19) lateral neben der auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreises befindlichen photoempfindlichen Schichtenfolge (16) angeordnet ist.
3. Bauelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der weitere optoelektronische Wandler (19) unterhalb der auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreises befindlichen photoempfindlichen Schichtenfolge (16) angeordnet ist.
4. Bauelement nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Rückelektroden (14) der auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreises befindlichen photoempfindlichen Schichtenfolge (16) an den Stellen, an denen sich der mindestens eine weitere optoelektronische Wandler (19) befindet, unterbrochen sind.
5. Bauelement nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Rückelektrode (21) der auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreises befindlichen photoempfindlichen Schichtenfolge (16) aus einem transparenten und leitfähigen Material (TCO) besteht.
6. -.Bauelement nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßsignale der auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreises befindlichen photoempfindlichen Schichtenfolge (16) und des mindestens einen weiteren optoelektronischen Wandlers (19) additiv miteinander verknüpft werden.
7. Bauelement nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßsignale der auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreises befindlichen photoempfindlichen Schichtenfolge (16) und des mindestens einen weiteren optoelektronischen Wandlers (19) separat verarbeitet werden.
8. Bauelement nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßsignale des mindestens einen weiteren optoelektronischen Wandlers für Entfernungsmessungen im Zusammenhang mit einem Laufzeit- oder Korrelationsverfahren verwendet werden.
EP98938644A 1997-06-25 1998-06-25 Hybride tfa-sensoren mit strahlungssensitiven asic-bauelementen Withdrawn EP0935819A1 (de)

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