NL8202761A - Dual-photodiode semiconductor device - with improved blue sensitivity - Google Patents
Dual-photodiode semiconductor device - with improved blue sensitivity Download PDFInfo
- Publication number
- NL8202761A NL8202761A NL8202761A NL8202761A NL8202761A NL 8202761 A NL8202761 A NL 8202761A NL 8202761 A NL8202761 A NL 8202761A NL 8202761 A NL8202761 A NL 8202761A NL 8202761 A NL8202761 A NL 8202761A
- Authority
- NL
- Netherlands
- Prior art keywords
- semiconductor device
- region
- conductivity type
- substrate
- layer
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 72
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 title claims abstract description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 29
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 6
- 230000006872 improvement Effects 0.000 abstract description 3
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 abstract description 2
- LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N alpha-particle Chemical compound [4He+2] LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 23
- 230000004044 response Effects 0.000 description 16
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 4
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 boron ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000005658 nuclear physics Effects 0.000 description 1
- 231100000289 photo-effect Toxicity 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- 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
- H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
- H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
- H01L25/041—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L31/00
- H01L25/043—Stacked arrangements of devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices 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; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices 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; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices 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; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/11—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
- H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
4 ff — 1-¾ N.0. 31146 14 ff - 1-¾ N.0. 31146 1
Halfgelei derinrichting.Semiconductor device.
Aanvraagster noemt als uitvinders:Applicant mentions as inventors:
Jan Middelhoek Sicco OosterhoffJan Middelhoek Sicco Oosterhoff
Theodorus Antonius Herman Maria Scholten.Theodorus Antonius Herman Maria Scholten.
De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleiderinrichting met twee fotodioden, die elk bij een verschillende golflengte de maximale spectrale gevoeligheid bezitten, bestaande uit een substraat van het ene geleidbaarheidstype een eerste in zijn algemeenheid komvormig ge-5 bied van het tegengestelde geleidbaarheidstype aansluitend op een oppervlak van het substraat, en een geheel door dit komvormLge gebied en het genoemde oppervlak van het substraat ingesloten tweede gebied van het ene geleidbaarheidstype. Verder heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke halfgeleiderin-10 richting.The invention relates to a semiconductor device with two photodiodes, each of which has the maximum spectral sensitivity at a different wavelength, consisting of a substrate of one conductivity type and a first generally cup-shaped region of the opposite conductivity type adjoining a surface of the substrate, and a second region of one conductivity type enclosed entirely by this cup-shaped region and said surface of the substrate. The invention further relates to a method for manufacturing such a semiconductor device.
Een halfgeleiderinrichting van bovengenoemde soort is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.011.016.· Deze bekende fotohalfgeleider bevat in feite twee van elkaar geïsoleerde fotodioden op verschillend niveau onder het oppervlak van het substraat. Invallend licht 15 met een korte golflengte zal in hoofdzaak worden gedetecteerd door de diode, die het dichtst onder het oppervlak is aangebracht, terwijl invallend licht met langere golflengten in hoofdzaak door de dieper gelegen diode zal worden gedetecteerd. Deze bekende halfgeleiderinrichting, die wordt verkregen door een aantal diffusies in een halfgeleidersub-20 straat, geeft een slechte responsie voor fotonen met energieën enkele malen groter,dan de breedte Eg van de verboden zone van het halfge leidermateriaal in vergelijking tot de responsie bij energieën die een fractie groter zijn dan Eg. Dat is het gevolg van de recombinatie-snelheid en de korte levensduur van de gecreëerde gat-elektronparen in 25 de hoog gedoteerde gebieden aan het oppervlak. Blauwe, ultra-violette en kortere golflengten van het elektromagnetische spectrum worden nagenoeg volledig geabsorbeerd in deze oppervlaktelaag zodat de spectrale responsie van de halfgeleider bij deze golflengten lager is.A semiconductor device of the above type is described in U.S. Pat. No. 4,011,016. This known photo semiconductor actually contains two isolated photodiodes at different levels below the surface of the substrate. Short wavelength incident light 15 will be detected mainly by the diode closest to the surface, while longer wavelength incident light will be detected mainly by the deeper diode. This known semiconductor device, which is obtained by a number of diffusions in a semiconductor substrate, gives a poor response for photons with energies several times greater than the width Eg of the forbidden zone of the semiconductor material compared to the response at energies which be a fraction larger than Eg. This is due to the rate of recombination and the short life of the hole electron pairs created in the highly doped regions at the surface. Blue, ultraviolet and shorter wavelengths of the electromagnetic spectrum are almost completely absorbed in this surface layer so that the spectral response of the semiconductor at these wavelengths is lower.
De uitvinding heeft nu ten doel de blauwgevoeligheid van een der-30 gelijke halfgeleiderinrichting te verhogen. Verder heeft de uitvinding ten doel een halfgeleiderdetector te creëren die een groter rendement bezit voor blauwe, ultraviolette en kortere golflengten van het elektromagnetische spectrum alsmede voor deeltjesstraling die in het opper- 8202761 * 2 vlak van de halfgeleiderdetector wordt geabsorbeerd. Tevens heeft de uitvinding ten doel het aantal werkwijzestappen nodig voor het vervaardigen van een dergelijke halfgeleiderstruktuur met een aantal fotodioden, in het bijzonder een fotodiode voor de kortere golflengten en een 5 fotodiode voor de langere golflengten, aanzienlijk te vereenvoudigen.The object of the invention is now to increase the blue sensitivity of such a semiconductor device. Furthermore, the object of the invention is to create a semiconductor detector which has a higher efficiency for blue, ultraviolet and shorter wavelengths of the electromagnetic spectrum as well as for particle radiation absorbed in the surface of the semiconductor detector. It is also an object of the invention to considerably simplify the number of process steps for producing such a semiconductor structure with a number of photodiodes, in particular a photodiode for the shorter wavelengths and a photodiode for the longer wavelengths.
Aan deze doelstelling wordt volgens de uitvinding voldaan door een halfgeleiderinrichting met twee fotodioden, die elk bij een verschillende golflengte de maximale spectrale gevoeligheid bezitten, bestaande uit een substraat van het ene geleidbaarheidstype, een eerste in zijn 10 algemeenheid komvormig gebied van het tegengestelde geleidbaarheidstype aansluitend op een oppervlak van het substraat, en een geheel door dit komvormige gebied en het genoemde oppervlak van het substraat ingesloten tweede gebied van het ene geleidbaarheidstype, welke halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding het kenmerk draagt dat het tweede ge-15 bied een veel lagere tegengestelde dotering heeft dan het eerste gebied. Door deze lagere dotering van het halfgeleidergebied direct onder het oppervlak wordt de recombinatiesnelheid verminderd en wordt de levensduur van de als gevolg van de invallende elektromagnetische of deeltjesstraling gecreëerde gat-elektronparen aan het oppervlak aan-20 zienlijk verhoogd. Als gevolg daarvan zal de responsie van de hoger ge-According to the invention, this object is met by a semiconductor device with two photodiodes, each of which has the maximum spectral sensitivity at a different wavelength, consisting of a substrate of one conductivity type, a first generally cup-shaped region of the opposite conductivity type a surface of the substrate, and a second region of the one conductivity type enclosed entirely by this cup-shaped region and said surface of the substrate, which semiconductor device according to the invention is characterized in that the second region has a much lower reverse doping than the first area. Due to this lower doping of the semiconductor region immediately below the surface, the recombination rate is reduced and the life of the hole electron pairs created on the surface as a result of the incident electromagnetic or particle radiation is significantly increased. As a result, the response of the higher
Aa
legen diode-overgang, die bestemd is voor het detecteren van de blauwe, ultraviolette en kortere golflengten van het invallende spectrum, aanzienlijk worden verhoogd.empty diode junction, which is intended to detect the blue, ultraviolet and shorter wavelengths of the incident spectrum, are greatly increased.
Bij voorkeur wordt de halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding 25 vervaardigd met hulp van een werkwijze waarin het eerste gebied van tegengesteld geleidbaarheidstype in het substraat van het ene geleidbaarheidstype wordt gerealiseerd door het aanbrengen van een begraven laag van het tegengestelde geleidbaarheidstype nadat door diffusie een ringvormig gebied van het tegengestelde geleidbaarheidstype is aangebracht 30 verlopend tussen het betreffende oppervlak van het substraat en de rand van de begraven laag. Bij voorkeur wordt voor het vervaardigen van de begraven laag gebruik gemaakt van een ionen mplantatieproces bij een energie van +1000 keV.Preferably, the semiconductor device according to the invention is manufactured by a method in which the first region of opposite conductivity type in the substrate of the one conductivity type is realized by applying a buried layer of the opposite conductivity type after diffusing an annular region of the opposite conductivity type is provided extending between the respective surface of the substrate and the edge of the buried layer. Preferably, an ion implantation process at an energy of +1000 keV is used to produce the buried layer.
Opgemerkt wordt dat de Nederlandse octrooiaanvrage 79.07416 een 35 halfgeleiderstruktuur beschrijft waarin twee afzonderlijk aansluitbare fotodioden aanwezig zijn De ene fotodiode, die het dichtst bij het oppervlak van het halfgeleidersubstraat is aangebracht is bestemd om de elektromagnetische straling met relatief korte golflengten te detecteren, terwijl de andere fotodiode, die dieper in het substraat is gepo-40 sitioneerd, bestemd is voor het detecteren van elektromagnetische stra- 8202761 * ί * 3 ling met relatief langere golflengte De bovenste diode is vervaardigd in een diffusieproces waarbij het aan het oppervlak grenzende gebied relatief zwaar wordt gedoteerd. De blauwgevoeligheid van deze halfge-leiderinrichting, in het bijzonder van de bovenste fotodiode is derhal-5 ve slecht zoals ook blijkt uit figuur 2 van deze Nederlandse octrooi-' aanvrage.It is noted that Dutch patent application 79.07416 describes a semiconductor structure in which two separately connectable photodiodes are present. One photodiode, which is arranged closest to the surface of the semiconductor substrate, is intended to detect the electromagnetic radiation with relatively short wavelengths, while the other photodiode , which is positioned deeper in the substrate, is intended to detect relatively longer wavelength electromagnetic radiation 8202761 * ί * 3 The top diode is manufactured in a diffusion process in which the area adjacent to the surface is relatively heavily doped . The blue sensitivity of this semiconductor device, in particular of the upper photodiode, is therefore poor, as is also apparent from Figure 2 of this Dutch patent application.
Verder wordt opgemerkt dat in het Amerikaanse octrooischrift 4.107.722 een fotodiodestruktuur is beschreven voor het detecteren van elektromagnetische straling waarbij de blauwgevoeligheid van de struk-10 tuur wordt verbeterd door de dicht bij het oppervlak gecreëerde minder-heidsladingsdragers met behulp van een elektrisch veld, inherent aan het gekozen doteringsprofiel weg te drijven van het oppervlak af naar een gebied dat gekenmerkt wordt door een lagere dotering waarin de min-derheidsladingsdragers een langere levensduur hebben. Ook bij deze 15 halfgeleiderstruktuur is de direct aan het oppervlak grenzende laag echter sterk gedoteerd zodat zeker niet die responsie in het gebied van de kortere golflengten kan worden gerealiseerd, die met de halfgelei-derinrichting uit onderhavige aanvrage mogelijk is.It is further noted that U.S. Pat. No. 4,107,722 discloses a photodiode structure for detecting electromagnetic radiation wherein the blue sensitivity of the structure is improved by the minor charge carriers created close to the surface using an electric field inherently to drift the chosen doping profile from the surface to an area characterized by lower doping in which the minority charge carriers have a longer life. However, also with this semiconductor structure, the layer directly adjoining the surface is strongly doped, so that certainly no response in the region of the shorter wavelengths which is possible with the semiconductor device of the present application can be realized.
Verdere doelstellingen, kenmerken en voordelen van de uitvinding 20 zullen duidelijk worden aan de hand van de navolgende gedetailleerde beschrijving, waarin wordt verwezen naar de bijgaande tekeningen.Further objects, features and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description, which refers to the accompanying drawings.
Figuur 1 toont een doorsnede van een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding.Figure 1 shows a cross-section of a semiconductor device according to the invention.
Figuur 2 toont een mogelijk doteringsprofiel van de halfgeleider-25 inrichting uit figuur 1 als functie van de diepte in de halfgeleider-schijf.Figure 2 shows a possible doping profile of the semiconductor device of Figure 1 as a function of the depth in the semiconductor wafer.
Figuur 3 toont ter vergelijking een halfgeleiderinrichting met een struktuur van een bekend type.Figure 3 shows a semiconductor device with a structure of a known type for comparison.
Figuur 4 toont het doteringsprofiel behorend bij de halfgeleider-30 inrichting uit figuur 3.Figure 4 shows the doping profile associated with the semiconductor device of Figure 3.
Figuur 5 toont het collectie-rendement van de beide foto-gevoeli-ge pn-overgangen zowel voor de halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding als voor de bekende halfgeleiderinrichting uit figuur 3, welk collectierendement uitgezet is als functie van de golflengte van de in-35 vallende straling in het zichtbare deel van het spectrum.Figure 5 shows the collection efficiency of the two photosensitive pn junctions both for the semiconductor device according to the invention and for the known semiconductor device from figure 3, which collection efficiency is plotted as a function of the wavelength of the incident radiation. in the visible part of the spectrum.
Figuur 6 toont schematisch de schakeling van de halfgeleiderdetector volgens de uitvinding als twee afzonderlijke fotodioden met verschillende spectraalresponsies en als fototransistor.Figure 6 schematically shows the circuit of the semiconductor detector according to the invention as two separate photodiodes with different spectral responses and as a phototransistor.
Figuur 1 toont een schematische doorsnede van een voorbeeld van de 40 halfgeleiderstruktuur volgens de uitvinding, waarvan de volgende gege- 8202761 4 vens verstrekt kunnen worden: in een n-type siliciumsubstraat 10 met een soortelijke weerstand van +10jl.cm wordt een diepe p+-ring 11 gediffundeerd. Met behulp van een implantatie van boriumionen bij energieën rond 1000 keV wordt een begraven p+-laag 12 gecreëerd welke 5 alzijdig met de ring 11 in verbinding staat. Op deze wijze ontstaan 2 pn-juncties op een diepte χχ en X£, en behoudt de n-type oppervlak-telaag 13 de lage dotering van het substraat. Door diffusie worden n+-lagen 14 en 15 aan het oppervlak van het substraat vervaardigd welke lagen 14 en 15 zorgen voor een goed Ohmsch kontakt tussen de nog 10 aan te brengen metaalaansluitingen 17 en de laag gedoteerde gebieden 10 en 13. Daarnaast vormt de n+-laag 15 een keerlaag voor gecreëerde minderheidsladingsdragers en een getter voor verontreinigingen in de halfgeleiderschijf, waardoor deze laag de rood-responsie van de fotohalfgeleider verbetert. Een +200 A dikke Si02 laag 16a, aangebracht 15 op het oppervlak van de verkregen halfgeleiderstruktuur met vrijlating van de aansluitgebieden voor de metaalaansluitingen, verkleint de op-pervlakterecombinatie tot een minimum. Voor een minimale reflectie van zichtbaar licht wordt verder op deze Si02~laag 16a een Sigtfy laag 16b met een dikte van ongeveer 350 A aangebracht welke in combinatie 20 met de SiÜ2 een antireflectielaag 16 vormt. Tenslotte wordt het alu-miniumpatroon 17 aangebracht waarmee de elektrische verbindingen met de verschillende gebieden worden verkregen.Figure 1 shows a schematic cross-section of an example of the 40 semiconductor structure according to the invention, the following data of which can be provided: in an n-type silicon substrate 10 with a resistivity of + 10 µl.cm a deep p + - ring 11 diffused. With the help of an implantation of boron ions at energies around 1000 keV, a buried p + layer 12 is created, which is connected on all sides with the ring 11. In this way, 2 pn junctions are created at depths χχ and X £, and the n-type surface layer 13 maintains the low doping of the substrate. By diffusion, n + layers 14 and 15 are produced on the surface of the substrate, which layers 14 and 15 ensure a good ohmic contact between the metal connections 17 still to be applied 17 and the layer doped regions 10 and 13. In addition, the n + - forms layer 15 is a reverse layer for created minority charge carriers and a getter for impurities in the semiconductor wafer, thereby improving the red response of the photo semiconductor. A +200 A thick SiO 2 layer 16a, applied to the surface of the obtained semiconductor structure, releasing the bonding areas for the metal terminals, minimizes the surface combination. For a minimal reflection of visible light, a Sigtfy layer 16b with a thickness of approximately 350 Å is further applied to this SiO2 layer 16a, which in combination with the SiO2 forms an anti-reflection layer 16. Finally, the aluminum cartridge 17 is applied, with which the electrical connections to the different regions are obtained.
Een typisch doteringsprofiel van de struktuur van figuur 1 als functie van de diepte in het substraat is weergegeven in figuur 2. De 25 dichtst bij het oppervlak gelegen junctie χχ bevindt zich op een diepte van ongeveer 1,2/um en de dieper gelegen junctie X2 bevindt zich op een diepte van ongeveer 2,1/um.A typical doping profile of the structure of Figure 1 as a function of the depth in the substrate is shown in Figure 2. The closest junction χχ is at a depth of about 1.2 µm and the deeper junction X2 is located at a depth of about 2.1 / um.
De absorptie van fotonen in een halfgeleidermateriaal is een functie van de golflengte λ van deze fotonen en wordt bepaald door de ab-30 sorptiecoëfficiënt α(λ) van het halfgeleidermateriaal. In figuur 2 zijn langs de abcis de golflengten aangegeven telkens bij die diepte waarop de invallende fotonenflux voor de betreffende golflengte voor 63% (= 1/e) in het silicium halfgeleidermateriaal is geabsorbeerd. Hieruit blijkt dat kortgolvige (blauwe en ultra-violette) straling dicht aan 35 het oppervlak wordt geabsorbeerd en dat van de langere golflengten een groter deel tot diep in het substraat doordringt.The absorption of photons in a semiconductor material is a function of the wavelength λ of these photons and is determined by the absorption coefficient α (λ) of the semiconductor material. In Figure 2, the wavelengths are indicated along the abscissa at each depth at which the incident photon flux for the relevant wavelength is absorbed for 63% (= 1 / e) in the silicon semiconductor material. This shows that short-wave (blue and ultra-violet) radiation is absorbed close to the surface and that a larger part of the longer wavelengths penetrates deep into the substrate.
Ter vergelijking van figuur 1 geeft figuur 3 de schematische doorsnede weer van een bekende struktuur van hetzelfde type als beschreven is in het US octrooischrift 4.011.016, welke struktuur beschouwd kan 40 worden als een duo-spectrale fotodiode of een fototransistor, verkregen 8202 761 5 door herhaalde indiffusie van tegengestelde doterlngsstoffen In het substraat. De dotaringsconcentratie neemt bij deze werkwijze onvermijdelijk toe vanaf het substraat 20 via de eerste diffusie 22 naar de tweede diffusie 23. Figuur 4 toont een typisch doteringsprofiel van 5 deze fotohalfgeleider met de daarin zwaar gedoteerde oppervlaktelaag, waarin de levensduur van de minderheidsladingsdragers kort is.For comparison of Figure 1, Figure 3 shows the schematic cross-section of a known structure of the same type as described in US patent 4,011,016, which structure can be considered as a duo-spectral photodiode or a phototransistor, obtained 8202 761. by repeated indiffusion of opposite dopant substances into the substrate. The dotaring concentration in this method inevitably increases from the substrate 20 via the first diffusion 22 to the second diffusion 23. Figure 4 shows a typical doping profile of this photo semiconductor with the heavily doped surface layer, in which the life of the minority charge carriers is short.
Het mechanisme van de fotodiode berust op het feit dat elke geabsorbeerde foton met een energie groter dan de breedte van de verboden z6ne van het halfgeleidermateriaal een of meer gat-elektron-paren cre-10 eert. Alleen die elektronen en gaten, die gedurende hun levensduur via een diffusie-mechanisme de ruimtelaag rond de pn-junctie bereiken, worden door het sterke elektrische veld gescheiden en dragen bij tot het foto-effect van de pn-overgang. De ligging van de pn-junctie, de absorptie eigenschappen van het halfgeleidermateriaal en de levensduur 15 van de minderheidsladingsdragers in de verschillende doteringsgebieden bepalen de spectraalresponsie van de diode. Deze spectraalresponsie van de pn-overgang wordt gegeven door het collectie-rendement, gedefinieerd als het percentage van alle door fotonen van één golflengte gecreëerde gat-elektron-paren, dat door de pn-overgang wordt gescheiden.The photodiode mechanism is based on the fact that each absorbed photon with an energy greater than the width of the forbidden z6ne of the semiconductor material creates one or more hole electron pairs. Only those electrons and holes, which reach the space layer around the pn junction via a diffusion mechanism during their lifetime, are separated by the strong electric field and contribute to the photo effect of the pn junction. The location of the pn junction, the absorption properties of the semiconductor material and the lifetime of the minority charge carriers in the different doping regions determine the spectral response of the diode. This spectral response of the pn junction is given by the collection efficiency, defined as the percentage of all hole electron pairs created by single wavelength photons, which are separated by the pn junction.
20 De collectie-rendementen van de beide dioden in de fotohalfgelei ders van de figuren 1 of 3 kunnen worden berekend door de continuïteitsvergelijking voor de minderheidsladingsdragers in het desbetreffende gebied met behulp van geschikte randvoorwaarden en bij evenwicht op te lossen: 25 C , „ d^C , Λ„ -αχ , dCEY n - — + d*^2 + a^Ne —/*' dx~* = ^ (1)The collection efficiencies of the two diodes in the photo semiconductors of Figures 1 or 3 can be calculated by solving the continuity equation for the minority charge carriers in the respective region using appropriate boundary conditions and equilibrium: 25 C, „d ^ C, Λ „-αχ, dCEY n - - + d * ^ 2 + a ^ Ne - / * 'dx ~ * = ^ (1)
Daarbij is: C de extra concentratie van minderheidsladingsdragers als gevolg 30 van de fotonen-instraling, T, D en /u zijn respectievelijk de levensduur, de diffusiecon-stante en de mobiliteit van de minderheden, α is de absorptiecoëfficiënt en N het aantal ingestraalde fotonen per seconde per oppervlakte-eenheid, 35 Q is de kwantumopbrengst, zijnde het aantal gecreëerde gat-elek tron-paren per geabsorbeerd foton, x is de diepte vanaf het bestraalde oppervlak en Εχ is het elektrische veld in het betreffende gebied als gevolg van een voorspanning op de junctie en/of als gevolg van het doterings-40 profiel. Het teken van deze laatste term is positief in geval elektro- 8202761 - * 6 nen de minderheidsladingsdragers zijn, anders is het negatief.In this case: C is the extra concentration of minority charge carriers as a result of the photon irradiation, T, D and / u are respectively the life span, the diffusion constant and the mobility of the minorities, α is the absorption coefficient and N the number of irradiated photons per second per unit area, 35 Q is the quantum yield, being the number of hole-electron pairs created per photon absorbed, x is the depth from the irradiated surface and Εχ is the electric field in the affected area due to a bias voltage on the junction and / or as a result of the doping-40 profile. The sign of the latter term is positive if electrons are the minority carriers, otherwise it is negative.
Bij afwezigheid van een voorspanning op de juncties van de fotohalfgeleider geeft deze inhomogene differentiaalvergelijking de oplossing: c Cieï/1 + <*** - 5(w>W» <2)In the absence of bias on the junctions of the photo semiconductor, this inhomogeneous differential equation gives the solution: c Cie / 1 + <*** - 5 (w> W »<2)
Waarbij L = (DT^ en en C2 constanten zijn die volgen uit de randvoorwaarden voor C in de betreffende gebieden: 10 - n-type toplaag (C = ρχ)Where L = (DT ^ and and C2 are constants that follow from the boundary conditions for C in the respective areas: 10 - n-type top layer (C = ρχ)
Ter plaatse x=0 Dp(dpi/dx) = Sppi(x*0) x=l pi(x*xi) = 0 (3) waarbij Sp de oppervlakte-recombinatiesnelheid voor gaten is.Spot x = 0 Dp (dpi / dx) = Sppi (x * 0) x = 1 pi (x * xi) = 0 (3) where Sp is the surface recombination rate for holes.
- p+ gebied (C=n) 15 Ter plaatse x=xi η(χχ) 0 x=X2 n<x2> “ 0 (4) - n-type substraat (C=p£).- p + area (C = n) 15 Spot x = xi η (χχ) 0 x = X2 n <x2> “0 (4) - n-type substrate (C = p £).
ter plaatse x=X2 Ρ2(χ2^ “ 0 x=d P2(d) = 0 (5) 20 waarbij d de dikte van de halfgeleiderschijf is.on site x = X2 Ρ2 (χ2 ^ “0 x = d P2 (d) = 0 (5) 20 where d is the thickness of the semiconductor wafer.
Uit het verloop van de minderheidsladingsdragersconcentratie in de doteringsgebieden volgt de deeltjesstroom j in de richting van de pn-junctie en kan het collectie-rendement van de juncties ter plaatse van X]_ respectievelijk X2 conform de definitie worden berekend 25 uit: 3ηΐ(χΐ) * 3η(χ1> = -Pp(dPl/dx)xl + Dn(dn/dx)xi xl qQN(l - e-ad) QN(1 - e“ad) ^ 0= 3ο2(χ2) + 3η(χ2) = +Dp(dp2/dx)x2 ~ Dn(dn/dx)x2 m x2~ qQN(l - e“ad) QN(1 - e”ad) ^ ' 30From the development of the minority charge carrier concentration in the doping regions, the particle flow j follows in the direction of the pn junction and the collection efficiency of the junctions at X] _ and X2 can be calculated in accordance with the definition 25 from: 3ηΐ (χΐ) * 3η (χ1> = -Pp (dPl / dx) xl + Dn (dn / dx) xi xl qQN (l - e-ad) QN (1 - e “ad) ^ 0 = 3ο2 (χ2) + 3η (χ2 ) = + Dp (dp2 / dx) x2 ~ Dn (dn / dx) x2 m x2 ~ qQN (l - e “ad) QN (1 - e” ad) ^ '30
Het collectie-rendement van de beide dioden van de bekende fotohalfgeleider en van de fotohalfgeleider volgens de uitvinding alsmede hun totale collectie-rendement zijn in figuur 5 als functie van de golflengte in het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum 35 weergegeven. Uit deze figuur blijkt het effect van de sterk gedoteerde diffusielagen met hoge recombinatiesnelheid die bij de bekende fotohalfgeleider de blauwgevoeligheid van de eerste fotodiode reduceren· Daarnaast blijkt het effect van de diepte, waarop de junctie zich bevindt, op de spectrale responsie van de diode.The collection efficiency of the two diodes of the known photo-semiconductor and of the photo-semiconductor according to the invention as well as their total collection efficiency are shown in figure 5 as a function of the wavelength in the visible part of the electromagnetic spectrum. This figure shows the effect of the highly doped diffusion layers with a high recombination speed, which reduce the blue sensitivity of the first photodiode in the known photo semiconductor. In addition, the effect of the depth at which the junction is located also appears on the spectral response of the diode.
40 De fotohalfgeleiderstruktuur volgens de uitvinding bezit naast een 8202761 » 7 ί vergrote blauwgevoeligheid ook een nagenoeg constant collectie-rende-ment voor golflengten kleiner dan 0,9/um en een grote efficiëntie bij de omzetting van zonnestraling in elektrische energie. Verder kan de duo-spectrale fotodiode ook als fototransistor worden geschakeld zoals 5 in figuur 6 is weergegeven, waarbij een vergrote blauwresponsie in vergelijking met conventionele fototransistoren wordt bereikt.The photo-semiconductor structure according to the invention has, in addition to an increased blue sensitivity, also a substantially constant collection efficiency for wavelengths less than 0.9 µm and a high efficiency in the conversion of solar radiation into electrical energy. Furthermore, the duo-spectral photodiode can also be switched as a phototransistor as shown in Figure 6, achieving an increased blue response compared to conventional phototransistors.
Door de lage dotering van de toplaag van de nieuwe fotohalfgeleider is de doorslagspanning van de dichtst aan het oppervlak gelegen pn-junctie aanzienlijk groter dan bij de bekende struktuur. De grotere 10 toelaatbare sperspanning op deze junctie maakt het mogelijk de toplaag nagenoeg volledig te depleteren, waarmee de collectie van gecreëerde ladingsdragers en daarmee de responsie van de fotodiode op intensi-teitsvariaties wordt versneld en tevens een extra verbetering in de Spectrale gevoeligheid voor blauwe en ultra-violette straling op-15 treedt.Due to the low doping of the top layer of the new photo semiconductor, the breakdown voltage of the pn junction closest to the surface is considerably greater than with the known structure. The greater allowable reverse voltage on this junction allows for almost complete depletion of the top layer, accelerating the collection of created charge carriers and thereby the photodiode response to intensity variations and also an additional improvement in the Spectral sensitivity to blue and ultra -violet radiation occurs -15.
De fotohalfgeleider van figuur 1 zal in willekeurige toepassingen kunnen worden gebruikt als verbeterde versie van bestaande fotodioden en transistoren, in het bijzonder in fotografische en grafische apparatuur. Voor gebruik in spectraal-fotometers kunnen meerdere duospectrale 20 fotodioden met onderling verschillende diepte van de begraven laag worden geïntegreerd of kunnen op dezelfde plaats meerdere begraven lagen op een verschillende diepte worden geïmplanteerd. Verder kunnen met behulp van sperspanningen op de juncties van de fotohalfgeleider de spectrale responsie is van de dioden worden beinvloed.The photo semiconductor of Figure 1 may be used in any application as an improved version of existing photodiodes and transistors, especially in photographic and graphic equipment. For use in spectral photometers, multiple duospectral photodiodes with mutually different depths of the buried layer can be integrated or multiple buried layers can be implanted at different depths in the same place. Furthermore, the spectral response of the diodes can be influenced by means of reverse voltages on the junctions of the photo-semiconductor.
25 Een andere interessante toepassing ontstaat door met behulp van een geïntegreerd elektronisch circuit de responsie van de blauw gevoelige diode met een regelbare factor k te versterken en vervolgens af te trekken van de responsie van de roödgevoelige diode. Absoluut gezien bezit de spectraalresponsie van het circuit dan een nulpunt voor in-30 stelbare golflengte A(k) in het spectraal gebied van 0,5-0,9/um, onafhankelijk van de intensiteit van het invallende licht. Hiermee kan bijvoorbeeld de golflengte van een monochromatische lichtbron worden bepaald of kunnen achtergrondkleuren bij het kopiëren worden onderdrukt enzovoort.Another interesting application arises by using an integrated electronic circuit to amplify the response of the blue-sensitive diode by an adjustable factor k and then subtract it from the response of the red-sensitive diode. In absolute terms, the spectral response of the circuit then has a zero point for adjustable wavelength A (k) in the spectral range of 0.5-0.9 µm, regardless of the intensity of the incident light. For example, it can be used to determine the wavelength of a monochromatic light source or to suppress background colors when copying, etc.
35 Behalve voor de detectie van fotonen is de nieuwe halfgeleider'te vens geschikt voor de detectie van geladen deeltjes als α-deeltjes en elektronen die bij absorptie in het halfgeleidermateriaal gat-elektron-paren vrij maken en in het bijzonder voor die deeltjes die in het oppervlak van het halfgeleidermateriaal worden geabsorbeerd (zoals elek-40 tronen met lage energieën onder 100 eV). Door het hoge collectie-rendement 8202761 8 van de nieuwe halfgeleider voor aan het oppervlak gecreëerde gat-elektron-paren is de gevoeligheid van deze detector voor deze deeltjes uitstekend in vergelijking met bestaande halfgeleiderdetectoren. Toepassingen vinden we onder andere ook in de elektronen-microscopie en 5 -spectrometrie en in kernfysische apparatuur.Besides the detection of photons, the new semiconductor device is also suitable for the detection of charged particles as α particles and electrons which release hole electron pairs upon absorption in the semiconductor material, and in particular for those particles which are surface of the semiconductor material (such as electrons with low energies below 100 eV). Due to the high collection efficiency 8202761 8 of the new semiconductor for hole-electron pairs created on the surface, the sensitivity of this detector to these particles is excellent compared to existing semiconductor detectors. We also find applications in electron microscopy and 5-spectrometry and in nuclear physics equipment.
Alhoewel de halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding en de werkwijze voor vervaardiging daarvan beschreven zijn aan de hand van een kenmerkende struktuur en een kenmerkend vervaardigingsproces zal het duidelijk zijn dat ook andere uitvoeringsvormen en andere werkwij-10 zen binnen het kader van de uitvinding kunnen worden toegepast. De begraven laag kan bijvoorbeeld ook worden vervaardigd met behulp van diffusie, waarna het gedeelte van het substraat boven de begraven laag door epitaxiale aangroeiing wordt gerealiseerd. Bovendien kunnen in plaats van Ohmsche kontakten ook Schottky-kontakten of andere varianten 15 worden gebruikt, dimensies kunnen worden gewijzigd en andere halfgelei-dermaterialen kunnen worden gekozen.Although the semiconductor device according to the invention and the method for its manufacture have been described by means of a characteristic structure and a characteristic manufacturing process, it will be clear that other embodiments and other methods can also be used within the scope of the invention. The buried layer can, for example, also be produced by means of diffusion, after which the part of the substrate above the buried layer is realized by epitaxial growth. In addition, instead of ohmic contacts, Schottky contacts or other variants can also be used, dimensions can be changed and other semiconductor materials can be selected.
Alhoewel in het bovenstaande een voorkeursuitvoeringsvorm is beschreven waarbij de dichtst bij het oppervlak gelegen junctie χχ zich bevindt op een diepte van ongeveer 1,2/um en de dieper gelegen 20 junctie zich bevindt op een diepte van ongeveer 1,2/um is het binnen het kader van de uitvinding mogelijk om andere waarden voor deze afstanden te kiezen. In het bijzonder de afstand tussen het oppervlak en de junctie χχ kan nog kleiner worden gekozen waardoor de blauwgevoeligheid nog verder zal toenemen, echter ten koste van een 25 rechtlijnigheid in de totaalkarakteristiek.Although a preferred embodiment has been described above in which the closest junction χχ is at a depth of about 1.2 / um and the deeper junction is at a depth of about 1.2 / um it is within within the scope of the invention it is possible to choose other values for these distances. In particular, the distance between the surface and the junction χχ can be chosen even smaller, as a result of which the blue sensitivity will increase even further, but at the expense of a straightness in the overall characteristic.
Ook voor de doteringsconcentratie kunnen andere waarden dan de in het bovenstaande genoemde waarden worden toegepast. Zonder de uitvinding hiertoe te beperken lijkt een concentratie binnen het gebied van +1θΐ4 _ +5 x 1()16 atomen/cm^ voor het tweede gebied de voorkeur 30 te verdienen.Values other than those mentioned above can also be used for the doping concentration. Without limiting the invention thereto, a concentration within the range of + 1 × 4 - + 5 x 1 () 16 atoms / cm 2 seems preferable for the second region.
Ook andere wijzigingen zijn binnen het kader van de uitvinding mogelijk.Other changes are also possible within the scope of the invention.
82 0 2 7 6182 0 2 7 61
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL8202761A NL8202761A (en) | 1982-07-08 | 1982-07-08 | Dual-photodiode semiconductor device - with improved blue sensitivity |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL8202761A NL8202761A (en) | 1982-07-08 | 1982-07-08 | Dual-photodiode semiconductor device - with improved blue sensitivity |
| NL8202761 | 1982-07-08 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NL8202761A true NL8202761A (en) | 1984-02-01 |
Family
ID=19839997
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NL8202761A NL8202761A (en) | 1982-07-08 | 1982-07-08 | Dual-photodiode semiconductor device - with improved blue sensitivity |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| NL (1) | NL8202761A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5041392A (en) * | 1984-10-18 | 1991-08-20 | Matsushita Electronics Corporation | Method for making solid state image sensing device |
| US5106765A (en) * | 1986-02-28 | 1992-04-21 | Canon Kabushiki Kaisha | Process for making a bimos |
-
1982
- 1982-07-08 NL NL8202761A patent/NL8202761A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5041392A (en) * | 1984-10-18 | 1991-08-20 | Matsushita Electronics Corporation | Method for making solid state image sensing device |
| US5106765A (en) * | 1986-02-28 | 1992-04-21 | Canon Kabushiki Kaisha | Process for making a bimos |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2290721C2 (en) | Silicon photoelectronic multiplier (alternatives) and locations for silicon photoelectronic multiplier | |
| JP3614184B2 (en) | Photodiode structure and photodiode array | |
| US9257589B2 (en) | Single photon avalanche diode with second semiconductor layer burried in epitaxial layer | |
| US9178100B2 (en) | Single photon avalanche diode for CMOS circuits | |
| CN108039390A (en) | Contactless protection ring single-photon avalanche diode and preparation method | |
| EP0146194B1 (en) | Semiconductor devices | |
| JP2017005276A (en) | Single-photon avalanche diode | |
| KR101111215B1 (en) | Electromagnetic radiation converter and a battery | |
| EP3387680B1 (en) | Avalanche photodetectors | |
| JP2000164841A (en) | Infrared detector device and process for forming the same | |
| CN114899267B (en) | Photoelectric conversion device, sensing apparatus, electronic device, and manufacturing method | |
| CN107895743B (en) | Apparatus and method for single photon avalanche photodiode detector | |
| US11335825B2 (en) | Single-photon avalanche diode and a sensor array | |
| US11973093B2 (en) | Visible-to-longwave infrared single photon avalanche photodetector on silicon | |
| CN113299786B (en) | Semiconductor device and method for manufacturing the same | |
| US3812518A (en) | Photodiode with patterned structure | |
| NL8202761A (en) | Dual-photodiode semiconductor device - with improved blue sensitivity | |
| US5001532A (en) | Impurity band conduction detector having photoluminescent layer | |
| KR101762431B1 (en) | Silicon photomultiplier having ree crosstalk structure | |
| WO2022122822A1 (en) | Photodiode device with enhanced characteristics | |
| JPH06140613A (en) | Semiconductor light detector | |
| KR101762430B1 (en) | Backside illumination-typed silicon photomultiplier and method of fabricating the same | |
| RU2309485C2 (en) | Single-section color-division photocell | |
| RU2291518C2 (en) | Photodetector cell | |
| KR100336555B1 (en) | Semiconductor opto-electric device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A1B | A search report has been drawn up | ||
| A85 | Still pending on 85-01-01 | ||
| BV | The patent application has lapsed |