WO1999065084A1 - Elektronisches bauelement, verfahren zur herstellung desselben sowie elektronische schaltung zur bildverarbeitung - Google Patents

Elektronisches bauelement, verfahren zur herstellung desselben sowie elektronische schaltung zur bildverarbeitung Download PDF

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WO1999065084A1
WO1999065084A1 PCT/EP1999/002894 EP9902894W WO9965084A1 WO 1999065084 A1 WO1999065084 A1 WO 1999065084A1 EP 9902894 W EP9902894 W EP 9902894W WO 9965084 A1 WO9965084 A1 WO 9965084A1
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PCT/EP1999/002894
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Thomas Neidlinger
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Universität Stuttgart
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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
    • H01L27/1443—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
    • 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
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02002—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations
    • H01L31/02005—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations for device characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier

Definitions

  • the invention relates to an electrical component with a first layer of a predetermined first electrical conductivity, a first contact, which is connected to a first surface of the first layer, and a second contact.
  • the invention relates to a method for producing an electrical component as well as an electronic circuit for image processing with an image preprocessing electronic component formed in ASIC technology.
  • TFA thin film on ASIC
  • ASIC component application-specific integrated circuit
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • the contact layer and the metal contact serve to apply a bias voltage, for example to adjust the color sensitivity of the component.
  • a bias voltage for example to adjust the color sensitivity of the component.
  • the contact element facing away from the light side is connected directly to the ASIC component, the opposite contact element is connected to a corresponding contact of the ASIC component, for example, by a so-called bonding technique.
  • the implementation of such a monolithically integrated image sensor is shown schematically in FIG. 4. The contact element facing the light side and the electrical connection required to make contact with the ASIC component can be clearly seen.
  • a disadvantage of this conventional image sensor shown in FIG. 4 lies in the need for a transparent front contact and in the electrical contacting thereof. There is also the risk of crosstalk between adjacent image elements of an image recording system.
  • EP-A1-0 682 375, EP-A2-0 726 605 or DE-Al-196 13 820 also have n, i and p-type layers based on amorphous silicon built-up layer system, the light-facing side carries an electrical contact.
  • the object of the invention is to provide an electronic component, the functioning of which is ensured even without front contacting, possibly completely without front contact, that there is a low tendency to crosstalk between adjacent picture elements and is simple and inexpensive to produce.
  • the object on which the invention is based is achieved in the electronic component of the type mentioned at the outset in that the second contact is likewise connected to the first surface of the first layer, in that on a second surface of the first layer opposite the first surface, a second layer of a predetermined second electrical conductivity is arranged, and that the second electrical conductivity is substantially greater than the first electrical conductivity, such that the current flow on the U-shaped path from the first contact by the shortest route through the first layer to the second layer, there across the second Layer and then by the shortest route from the second layer through the first layer to the second contact.
  • the component according to the invention thus has a layer structure in which the first layer is poorly conductive, ie high-resistance, and the second layer is good conductive, ie low-resistance. It is thus advantageously possible to completely dispense with a contact facing the light side and its electrical connection, for example to an ASIC. In addition, crosstalk can be strongly suppressed by arranging the contacts accordingly.
  • the component is constructed on the basis of amorphous silicon and its alloys, the first layer having an n-type layer and the second layer preferably being in the form of a p-type layer.
  • the second layer can furthermore have a transparent aluminum layer.
  • the first layer is also possible to form the first layer as a p-type layer and the second layer as an n-type layer.
  • the first layer preferably has at least one intrinsic layer which is arranged on the side of the n-type layer facing away from the contact.
  • the first layer further comprises a p-type layer which is arranged adjacent to the second layer.
  • the conductivity of the layer system comprising the individual layers can be set in a simple manner by using n- and p-type, in particular a-Si: H or a-SiC: H layers.
  • the electrical component is designed as a photosensitive component, the second layer facing the light incidence side.
  • This second layer can be applied to a substrate, for example a glass substrate.
  • the p-type layer of the first layer is designed as an a-SiC: H layer and the n-type layer as an a-SIC: H layer.
  • the p-type layer of the second layer is preferably designed as a highly conductive microcrystalline ⁇ c-Si: H layer or as an a-SiC: H layer.
  • the intrinsic layer is designed as a layer with a graded band gap.
  • the intrinsic layer can be built up from several layers with and without bandgap grading.
  • one contact is designed as a center contact element and the other contact as a ring contact element, the ring contact element partially or completely surrounding the center contact element.
  • the contact area of the two contacts is preferably of the same size.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method of the type mentioned at the outset, which is characterized in that at least two contacts are thermally vapor-deposited onto the layer with low electrical conductivity.
  • the two contacts lie on one side, which faces the ASIC component in the monolithically integrated image sensor, the corresponding contacting with the ASIC component can already be achieved when the electrical component is applied.
  • the application of electrical connections e.g. in bonding technology is therefore unnecessary, which leads to a simplification of the manufacturing process and thus to a cost advantage.
  • a transparent aluminum layer is used as the electrically conductive layer.
  • a highly conductive p-type layer is used as the electrically conductive layer.
  • 3b are schematic representations of contact elements of the electronic components in a perspective view
  • Fig. 4 is a schematic representation of an image recording system from the prior art.
  • the invention is described below using a photosensitive electronic component. Nevertheless, the component according to the invention can also be used for other purposes, for example as a sensor for invisible electromagnetic waves.
  • the application area of the photosensitive electronic component is wide and ranges from the Sumer Scheme up to industrial data processing and electronic vision systems.
  • An optical image sensor is identified in FIG. 1 by reference number 10.
  • This image sensor 10 is implemented in TFA technology (thin film on ASIC). It comprises a light-sensitive layer system 12 which is applied to an ASIC module 14 (application-specific integrated circuit). While the layer system 12 is produced using the thin-film technology based on amorphous silicon, crystalline standard technologies, such as, for example, the CMOS technology, are used to produce the ASIC module 14.
  • Contact elements 16, 17 arranged in pairs are provided for the electrical connection of the layer system 12 to the ASIC module 14.
  • a pair of contact elements 16, 17 is assigned to a picture element 18.
  • the image sensor 10 usually comprises a multiplicity of matrix elements 18 arranged in the form of a matrix, only two adjacent pixel elements 18 being shown in FIG. 1 for the sake of clarity.
  • the layer system facing the light 20 serves to generate light-intensity-dependent electrical signals which are transmitted to the ASIC module 14 via the contact elements 16, 17 and are preprocessed there by corresponding electronic assemblies.
  • the color sensitivity can be adjusted to a certain extent by appropriately designing the layer system and by subjecting it to an electrical bias via the contact elements 16, 17, it being possible advantageously to use a unipolar voltage. Since the ASIC module 14 has a known structure and is manufactured according to known methods, a description of its structure is omitted here. Rather, the structure of the layer system 12 is explained in more detail below with reference to FIG. 2.
  • the layer system 12 comprises, as shown in FIG. 2a, a transparent conductive layer 24 on the side facing the light (e.g. by sputtering on a transparent conductive oxide or by thermal vapor deposition of a thin aluminum layer).
  • the layer 24 can be applied, for example, to a glass substrate 22, which remains irrelevant with regard to the function of the layer system, which is why the glass substrate 22 is only indicated by dashed lines.
  • the layer 24 is followed by an a-SiC: H layer (p-type) 26, followed by an undoped a-SiC: H layer 28, an undoped a-Si: H layer 30 and an a-SiC: H layer (n-type) 32.
  • the aforementioned layers 26 to 32 are deposited using the plasma CVD (chemical vapor deposition) method.
  • the layers can be applied to a suitable substrate with correspondingly applied contacts or to a prepared ASIC.
  • the second exemplary embodiment of a layer system 12 'shown in FIG. 2b differs from the previously described layer system 12 only in that instead of the two layers 24, 26, a highly conductive layer 34 made of microcrystalline silicon ⁇ c-Si: H (p-type) or amorphous Silicon a-Si: H (p-type) is provided.
  • the layers 34, 28, 30, 32 are also deposited using the plasma CVD method. Both layer systems have in common that, starting from the contact elements 16, 17, it initially comprises at least two poorly conductive layers, namely the high-resistance layer 26, 28, 30, 32 and then the very highly conductive layer 24 or 34.
  • the current path therefore extends from the contact element 17 in the first exemplary embodiment through the layers 32, 30, 28, 26 and in the second exemplary embodiment also through the layers 32, 30, 28, then runs within the highly conductive layer 24 or 34, and then through the layers 26, 28, 30 and 32 or 28, 30 and 32 to the contact element 16.
  • the high-resistance formation of the layer 32 prevents a significant current path from forming directly in this layer from the contact element 17 to the contact element 16.
  • the effect according to the invention is also achieved if a current path forms in the high-resistance layer, as long as it is very small in comparison to the U-shaped current path .
  • the image sensor 10 thus comprises a layer system which is constructed as follows: the first layer, which is applied directly to the two contacts, consists of one or more doped (n- or p- Type) a-Si: H layers, preferably a-SiC: H. This is followed by one or more undoped a-SiGe: H or a-Si: H or a-SiC: H layers with different bandgap, or one or more undoped layers with graded bandgap or a combination of layers with and without bandgap grading.
  • the first layer which is applied directly to the two contacts, consists of one or more doped (n- or p- Type) a-Si: H layers, preferably a-SiC: H. This is followed by one or more undoped a-SiGe: H or a-Si: H or a-SiC: H layers with different bandgap, or one or more undoped layers with graded bandgap or
  • a-SiGe H or a-Si: H or a-SiC: H or ⁇ c-Si: H layer or a combination thereof.
  • An electrically highly conductive layer can preferably be finally applied to the layer system.
  • the combination of layers with different thickness and / or with different bandgap enables optimization with regard to the spectral sensitivity of the component.
  • the layer system 12 explained above thus comprises an n-type layer followed by an intrinsic layer and a p-type layer (n-i-p structure).
  • a complementary structure is also conceivable, that is to say at least one p-type layer followed by an intrinsic layer and an n-type layer (pin structure), provided that the layers are adjusted with regard to their conductivity so that the U-shaped one Current path can form.
  • the contact elements 16, 17 indicated only schematically in FIG. 2 are shown in perspective in FIG. 3. So Fig. 3 recognize that the two contact elements 16, 17 of a picture element 18 lie in one plane, the contact element 16 being rectangular and being completely enclosed by the contact element 17 at a certain distance.
  • the two contact surfaces of the contact elements 16, 17 are preferably of the same size.
  • the advantage of the contact element geometry shown in FIG. 3a is that the contact element 17, which is at a suitable reference potential, electrically separates the contact elements 16 of adjacent picture elements 18, so that crosstalk between adjacent picture elements 18 is suppressed.
  • the desired voltage which influences the color detection and which is applied to the contact elements 16 therefore does not have any effect on adjacent picture elements.
  • contacts are provided on the side of the ASIC module facing the layer system 12, which contacts correspond to the contact elements 16, 17.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einer ersten Schicht (26-32) einer vorbestimmten ersten elektrischen Leitfähigkeit, einem ersten Kontakt (16), der an einer ersten Oberfläche der ersten Schicht (26-32) angeschlossen ist, sowie einem zweiten Kontakt (17), der an die erste Schicht (26-32) angeschlossen ist, um bei Anlegen einer Spannung an die Kontakte (16, 17) einen Stromfluß vorbestimmter Richtung durch die erste Schicht (26-32) hindurch zu bewirken. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch aus, daß auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der ersten Schicht (26-32) eine zweite Schicht (24; 34) einer vorbestimmten zweiten elektrischen Leitfähigkeit angeordnet ist, und daß die zweite elektrische Leitfähigkeit wesentlich größer als die erste elektrische Leitfähigkeit ist, derart, daß der Stromfluß auf U-förmiger Bahn vom ersten Kontakt (16) auf kürzestem Wege durch die zweite Schicht zum zweiten Kontakt (17) verläuft.

Description

Elektronisches Bauelement, Verfahren zur Herstellung desselben sowie elektronische Schaltung zur Bildverarbeitung
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einer ersten Schicht einer vorbestimmten ersten elektrischen Leitfähigkeit, einem ersten Kontakt, der an einer ersten Oberfläche der ersten Schicht angeschlossen ist, sowie einem zweiten Kon-
takt, der an die erste Schicht angeschlossen ist, um bei Anlegen einer Spannung an die Kontakte einen Stromfluß vorbestimmter Richtung durch die erste Schicht hindurch zu bewirken. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements sowie eine elektronische Schaltung zur Bildverarbeitung mit einer in ASIC-Technologie ausgebildeten bildvorverarbeitenden elektronischen Baueinheit.
Elektrische Bauelemente auf der Basis von amorphem Silizium werden in zunehmendem Maße beispielsweise als optische Halbleiterbildsensoren in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt. Zur Herstellung kompletter optischer Sensorsysteme hat sich die sogenannte TFA-Technologie (thin film on ASIC) hervorgetan. Bei dieser Technologie wird auf einen sogenannten ASIC- Baustein ( application-specific integrated circuit), der in kristalliner Standardtechnologie (beispielsweise CMOS-Technik) hergestellt ist, das elektrische Bauelement auf der Basis von amorphem Silizium aufgebracht. Durch die Verknüpfung der sogenannten Dünnschichttechnologie zur Herstellung des elektrischen Bauelementes und der kristallinen Standardtechnologie werden die jeweiligen Vorteile genutzt, ohne die jeweiligen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Die mit der TFA-Technologie hergestellten Produkte, beispielsweise monolithisch integrierte Bildsensoren, besitzen die ausgezeichneten elektro-optischen Eigenschaften amorphem Siliziums und die elektronischen Eigenschaften kristallinen Siliziums.
Ein elektrisches Bauelement der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 196 37 126 AI oder der Veröffentlichung "Voltage controlled color Separation in two- terminal a-Si:H based sensor structures", ESSDERC 1997 Procee- dings of the 27th European Solid-State Device Research Conference, Stuttgart, Germany 22-24 September 1997, bekannt. Beide in diesen Druckschriften offenbarten Schichtsysteme stimmen insofern überein, als daß das Schichtsystem aus mehreren Einzelschichten auf der Basis von amorphem Silizium vom n-, i- (intrinisch) und p-Typ, auf der Lichteinfallsseite (Vorderseite) durch eine transparente Kontaktschicht und auf der lichtabgewandten Seite (Rückseite) durch einen Metallkontakt begrenzt ist. Die Kontaktschicht und der Metallkontakt dienen zum Anlegen einer Vorspannung, beispielsweise zur Einstellung der Farbempfindlichkeit des Bauelements. Während das der Lichtseite abgewandte Kontaktelement direkt mit dem ASIC- Baustein verbunden ist, wird das gegenüberliegende Kontaktelement beispielsweise durch eine sogenannte Bonding-Technik mit einem entsprechenden Kontakt des ASIC-Bausteins verbunden. Die Realisierung eines derartigen monolithisch integrierten Bildsensors ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Deutlich zu erkennen ist das der Lichtseite zugewandte Kontaktelement und die zur Kontaktierung mit dem ASIC-Baustein notwendige elektrische Verbindung.
Ein Nachteil dieses in Fig. 4 dargestellten herkömmlichen Bildsensors liegt in der Notwendigkeit eines transparenten Frontkontaktes sowie in der elektrischen Kontaktierung desselben. Ferner besteht die Gefahr eines Übersprechens benachbarter Bildelemente eines Bildaufnahmesystems.
Auch die in den Druckschriften EP-A1-0 682 375, EP-A2-0 726 605 oder DE-Al-196 13 820 offenbarten Bildsensoren weisen ein aus n-, i- und p-Typschichten auf der Basis von amorphem Silizium aufgebautes Schichtsystem auf, dessen lichtzugewandte Seite einen elektrischen Kontakt trägt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein elektronisches Bauelement zu schaffen, dessen Funktionsweise auch ohne Frontkontaktierung, ggf. vollständig ohne Frontkontakt gewährleistet ist, daß eine geringe Übersprechneigung zwischen benachbarten Bildelementen besitzt und einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei dem elektronischen Bauelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der zweite Kontakt ebenfalls an die erste Oberfläche der ersten Schicht angeschlossen ist, daß auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der ersten Schicht eine zweite Schicht einer vorbestimmten zweiten elektrischen Leitfähigkeit angeordnet ist, und daß die zweite elektrische Leitfähigkeit wesentlich größer als die erste elektrische Leitfähigkeit ist, derart, daß der Stromfluß auf U- förmiger Bahn vom ersten Kontakt auf kürzestem Wege durch die erste Schicht hindurch zur zweiten Schicht, dort quer durch die zweite Schicht und dann auf kürzestem Wege von der zweiten Schicht durch die erste Schicht hindurch zum zweiten Kontakt verläuft. Das erfindungsgemäße Bauelement weist also einen Schichtaufbau auf, bei dem die erste Schicht schlecht leitend, d.h. hochohmig und die zweite Schicht gut leitend, d.h. niede- rohmig ausgebildet ist. Damit ist es in vorteilhafter Weise möglich, auf einen der Lichtseite zugewandten Kontakt und auf dessen elektrische Verbindung bspw. zu einem ASIC vollständig zu verzichten. Darüber hinaus läßt sich ein Übersprechen durch entsprechende Anordnung der Kontakte stark unterdrücken. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Bauelement auf der Basis von amorphem Silizium und dessen Legierungen aufgebaut, wobei die erste Schicht eine n-Typ Schicht aufweist und wobei vorzugsweise die zweite Schicht als p-Typ Schicht ausgebildet ist. Optional kann die zweite Schicht ferner eine transparente Aluminiumschicht aufweisen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die erste Schicht als p-Typ Schicht und die zweite Schicht als n-Typ Schicht auszubilden. Vorzugsweise weist die erste Schicht zumindest eine intrinsi- sche Schicht auf, die auf der dem Kontakt abgewandten Seite der n-Typ Schicht angeordnet ist. Vorzugsweise umfaßt die erste Schicht ferner eine p-Typ Schicht, die benachbart zu der zweiten Schicht angeordnet ist.
Durch die Verwendung von n- und p-Typ, insbesondere a-Si:H oder a-SiC:H Schichten läßt sich die Leitfähigkeit des die einzelnen Schichten umfassenden Schichtsystems auf einfache Weise einstellen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das elektrische Bauelement als photoempfindliches Bauelement ausgelegt, wobei die zweite Schicht der Lichteinfallseite zugewandt ist. Diese zweite Schicht kann auf einem Substrat, bspw. einem Glassubstrat aufgebracht sein.
Aufgrund der ausgezeichneten elektro-optischen Eigenschaften amorphem Siliziums hat sich der Einsatz als photoempfindliches Bauelement als besonders günstig herausgestellt. Selbstverständlich sind auch andere Anwendungsmöglichkeiten des elektrischen Bauelements beispielsweise als Sensor für nicht sichtbare elektromagnetische Wellen möglich. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die p- Typ Schicht der ersten Schicht als a-SiC:H-Schicht und die n- Typ Schicht als a-SIC:H-Schicht ausgebildet. Vorzugsweise ist die p-Typ Schicht der zweiten Schicht als hoch-leitfähige mikrokristalline μc-Si:H-Schicht oder als a-SiC:H-Schicht ausgebildet. Ferner ist es vorteilhaft, in der ersten Schicht die der n-Typ Schicht zugewandte intrinsische Schicht als a-SiC:H und a-Si:H-Doppelschicht auszubilden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die intrinsische Schicht als Schicht mit gradiertem Bandabstand ausgebildet. Alternativ läßt sich die intrinsische Schicht aus mehreren Schichten mit und ohne Bandabstandsgradierung aufbauen.
Dies hat den Vorteil, daß eine Optimierung im Hinblick auf die Farbempfindlichkeit des elektrischen Bauelements möglich ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der eine Kontakt als Mittelkontaktelement und der andere Kontakt als Ringkontaktelement ausgebildet, wobei das Ringkontaktelement das Mittelkontaktelement teilweise oder vollständig umgibt. Vorzugsweise ist die Kontaktfläche der beiden Kontakte gleich groß.
Dies hat den Vorteil, daß das auf Bezugspotential liegende Ringkontaktelement das Mittelkontaktelement gegenüber den entsprechenden Kontakten benachbarter elektrischer Bauelemente abschirmt und damit ein Übersprechen stark unterdrückt. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch von einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, daß sich dadurch auszeichnet, daß auf die Schicht mit geringer elektrischer Leitfähigkeit zumindest zwei Kontakte thermisch aufgedampft werden .
Dadurch, daß die beiden Kontakte auf einer Seite liegen, die bei dem monolithisch integrierten Bildsensor dem ASIC-Baustein zugewandt ist, ist die entsprechende Kontaktierung mit dem ASIC-Baustein bereits beim Auftragen des elektrischen Bauelements erzielbar. Das Aufbringen von elektrischen Verbindungen z.B. in Bonding-Technik ist somit entbehrlich, was zu einer Vereinfachung des Herstellungsverfahrens und damit zu einem Kostenvorteil führt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als elektrisch leitfähige Schicht eine transparente Aluminiumschicht verwendet. Alternativ wird als elektrisch leitfähige Schicht eine hochleitfähige p-Typ Schicht verwendet.
Besonders vorteilhaft ist es, das erfindungsgemäße elektrische Bauelement auf einer in ASIC-Technologie ausgebildeten bildvor- verarbeitenden elektronischen Baueinheit zur Bildung einer elektronischen Schaltung zur Bildverarbeitung aufzubringen, wobei vorzugsweise eine Vielzahl von erfindungsgemäßen elektrischen Bauelementen matrixförmig aufgebracht sind.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils an- gegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Schaltung in TFA-Technik,
Fig. 2a ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Bauelements,
Fig. 2b ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektronischen Bauelements,
Fig. 3a,
Fig. 3b schematische Darstellungen von Kontaktelementen der elektronischen Bauelemente in perspektivischer Ansicht, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Bildaufnahmesystems aus dem Stand der Technik.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines photoempfindlichen elektronischen Bauelementes beschrieben. Gleichwohl ist das erfindungsgemäße Bauelement auch für andere Verwendungszwecke, beispielsweise als Sensor für nicht sichtbare elektromagnetische Wellen einsetzbar. Das Anwendungsgebiet des photoempfindlichen elektronischen Bauelements ist breit und reicht vom Con- sumerbereich bis hin zur industriellen Datenverarbeitung und elektronischen Sehsystemen.
In Fig. 1 ist ein optischer Bildsensor mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Dieser Bildsensor 10 ist in der TFA-Technologie (thin film on ASIC) realisiert. Er umfaßt ein lichtempfindliches Schichtsystem 12, das auf einem ASIC-Baustein 14 (application-specific integrated circuit) aufgebracht ist. Während das Schichtsystem 12 mit der auf amorphem Silizium basierten Dünnschicht-Technologie hergestellt ist, wird zur Herstellung des ASIC-Bausteins 14 auf kristalline Standardtechnologien zurückgegriffen, wie beispielsweise die CMOS-Technik.
Zur elektrischen Verbindung des Schichtsystems 12 mit dem ASIC- Baustein 14 sind paarweise angeordnete Kontaktelemente 16, 17 vorgesehen. Jeweils ein Kontaktelement-Paar 16, 17 ist dabei einem Bildelement 18 zugeordnet. Üblicherweise umfaßt der Bildsensor 10 eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildelementen 18, wobei in der Fig. 1 der Übersichtlichkeit wegen lediglich zwei benachbarte Bildelemente 18 dargestellt sind.
Das dem Licht 20 zugewandte SchichtSystem dient dazu, lichtstärkeabhängige elektrische Signale zu erzeugen, die über die Kontaktelemente 16, 17 zum ASIC-Baustein 14 übertragen und dort durch entsprechende elektronische Baugruppen vorverarbeitet werden. Durch entsprechende Gestaltung des Schichtsystems und durch dessen Beaufschlagung mit einer elektrischen Vorspannung über die Kontaktelemente 16, 17 läßt sich die Farbempfindlichkeit in gewissem Umfang einstellen, wobei in vorteilhafter Weise eine unipolare Spannung verwendet werden kann. Da der ASIC-Baustein 14 einen bekannten Aufbau besitzt und nach entsprechend bekannten Verfahren gefertigt ist, wird auf eine Beschreibung seines Aufbaus an dieser Stelle verzichtet. Vielmehr wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 im folgenden der Aufbau des Schichtsystems 12 näher erläutert.
Nach einem ersten Ausführungsbeispiel umfaßt das Schichtsystem 12, wie in Fig. 2a dargestellt, eine transparente leitfähige Schicht 24 auf der lichtzugewandten Seite (z.B. durch Aufsput- tern eines transparent leitfähigen Oxids oder durch thermisches Aufdampfen einer dünnen Aluminiumschicht). Die Schicht 24 läßt sich bspw. auf ein Glassubstrat 22 aufbringen, was im Hinblick auf die Funktion des Schichtsystems ohne Bedeutung bleibt, weshalb das Glassubstrat 22 nur gestrichelt angedeutet ist. An die Schicht 24 schließt sich eine a-SiC:H Schicht (p-Typ) 26 an, gefolgt von einer undotierten a-SiC:H Schicht 28, einer undotierten a-Si:H Schicht 30 und einer a-SiC:H Schicht (n-Typ) 32. Die vorgenannten Schichten 26 bis 32 werden mit Hilfe des Plas- ma-CVD (chemical vapor deposition) -Verfahrens abgeschieden. Die Schichten können auf einem geeigneten Substrat mit entsprechend aufgebrachten Kontakten oder auf einen vorbereiteten ASIC aufgebracht werden.
Das in Fig. 2b gezeigte zweite Ausführungsbeispiel eines Schichtsystems 12' unterscheidet sich von dem zuvor erläuterten Schichtsystem 12 lediglich darin, daß statt der beiden Schichten 24, 26 eine hochleitfähige Schicht 34 aus mikrokristallinem Silizium μc-Si:H (p-Typ) oder amorphem Silizium a-Si:H (p-Typ) vorgesehen ist. Die Schichten 34, 28, 30, 32 werden ebenfalls mit Hilfe des Plasma-CVD-Verfahrens abgeschieden. Beiden Schichtsystemen ist gemeinsam, daß es ausgehend von den Kontaktelementen 16, 17 zunächst zumindest zwei schlecht leitende Schichten, nämlich die hochohmige Schicht 26, 28, 30, 32 und dann die sehr gut leitende Schicht 24 bzw. 34 umfaßt. Dadurch, daß der sich zwischen den Kontakten 16, 17 ausbildende Strompfad - bei Anlegen einer unipolaren Spannung an den Kontakten - versucht, über einen möglichst großen Bereich innerhalb einer gut leitenden Schicht zu verlaufen, ergibt sich der in den Fig. 2a und 2b durch Pfeile P angedeutete U-förmige Stromverlauf.
Der Strompfad erstreckt sich also ausgehend von dem Kontaktelement 17 im ersten Ausführungsbeispiel durch die Schichten 32, 30, 28, 26 und im zweiten Ausführungsbeispiel auch die Schichten 32, 30, 28, verläuft dann innerhalb der gut leitenden Schicht 24 bzw. 34, und dann durch die Schichten 26, 28, 30 und 32 bzw. 28, 30 und 32 zum Kontaktelement 16. Durch die hochohmige Ausbildung der Schicht 32 wird verhindert, daß sich ein nennenswerter Strompfad direkt in dieser Schicht vom Kontaktelement 17 zum Kontaktelement 16 ausbildet. Dasselbe gilt für die Schichten 30, 28 und 26. An dieser Stelle sei noch angemerkt, daß die erfindungsgemäße Wirkung auch dann erreicht wird, wenn sich in der hochohmigen Schicht ein Strompfad ausbildet, solange er im Vergleich zu dem U-förmigen Strompfad sehr klein ist.
Neben dem in Fig. 2 gezeigten zweischichtigen Aufbau der in- trinsischen Schichten 30, 28 ist es alternativ möglich, lediglich eine einzelne intrinsische Schicht mit gradiertem Bandabstand vorzusehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die beiden Schichten 28, 30 durch eine Kombination aus undotierten Schichten mit und ohne Bandabstandsgradierung auszubilden.
Wie sich aus den Fig. 2a und 2b ergibt, umfaßt der Bildsensor 10 also ein Schichtsystem, das wie folgt aufgebaut ist: Die erste Schicht, die direkt auf die beiden Kontakte aufgebracht wird, besteht aus einer oder mehreren dotierten (n- oder p-Typ) a-Si:H Schichten, vorzugsweise a-SiC:H. Danach folgen eine oder mehrere undotierte a-SiGe:H oder a-Si:H oder a-SiC:H Schichten mit unterschiedlichem Bandabstand, oder eine oder mehrere undotierte Schichten mit gradiertem Bandabstand oder eine Kombination aus Schichten mit und ohne Bandabstandsgradierung. Schließlich folgt die zweite dotierte (p- oder n-Typ, komplementär zu dem Typ der ersten Schicht) a-SiGe:H oder a-Si:H oder a-SiC:H oder μc-Si:H Schicht oder eine Kombination derselben. Vorzugsweise kann eine elektrisch hochleitende Schicht auf das Schichtsystem abschließend aufgebracht werden. Die Kombination von Schichten mit unterschiedlicher Dicke und/oder mit unterschiedlichem Bandabstand ermöglicht ein Optimieren hinsichtlich der spektralen Empfindlichkeit des Bauelements. Das zuvor erläuterte Schichtsystem 12 umfaßt also eine n-Typ Schicht gefolgt von einer intrinsischen Schicht und einer p-Typ Schicht (n-i-p-Struktur) . Selbstverständlich ist auch ein komplementärer Aufbau denkbar, also zumindest eine p-Typ Schicht gefolgt von einer intrinsischen Schicht und einer n-Typ Schicht (p-i-n- Struktur), sofern die Schichten im Hinblick auf ihre Leitfähigkeit so eingestellt sind, daß sich der U-förmige Strompfad ausbilden kann.
Die in Fig. 2 lediglich schematisch angedeuteten Kontaktelemente 16, 17 sind in Fig. 3 perspektivisch gezeigt. So läßt Fig. 3 erkennen, daß die beiden Kontaktelemente 16, 17 eines Bildelements 18 in einer Ebene liegen, wobei das Kontaktelement 16 rechteckförmig ausgebildet ist und von dem Kontaktelement 17 in einem bestimmten Abstand vollständig umschlossen wird. Die beiden Kontaktflächen der Kontaktelemente 16, 17 sind vorzugsweise gleich groß.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die zwischen den Kontaktelementen 16, 17 und der leitfähigen Schicht 24 bzw. 34 angeordneten Schichten nicht gezeigt; allerdings ist der Stromverlauf mit Pfeilen P gekennzeichnet.
Der Vorteil der in Fig. 3a gezeigten Kontaktelemente-Geometrie besteht darin, daß das auf einem geeigneten Referenzpotential liegende Kontaktelement 17 die Kontaktelemente 16 nebeneinander liegender Bildelemente 18 elektrisch trennt, so daß ein Übersprechen zwischen benachbarten Bildelementen 18 unterdrückt wird. Die an die Kontaktelemente 16 angelegte gewünschte, die Farbdetektion beeinflussende Spannung wirkt sich damit also nicht auf benachbarte Bildelemente aus.
Üblicherweise sind auf der dem Schichtsystem 12 zugewandten Seite des ASIC-Bausteins 14 Kontakte vorgesehen, die den Kontaktelementen 16, 17 entsprechen.
Es ist jedoch wie in Fig. 3b dargestellt auch möglich, die Kontaktelemente 16, 17 mit Kontaktpads 38, 40 zu versehen, die nach außen geführt sind.
Neben der in Fig. 3a gezeigten Kontaktelemente-Geometrie sind selbstverständlich auch andere Kontaktformen, wie beispielswei- se ringförmige, streifenförmige, punkt- oder flächenförmige Kontaktelemente denkbar.

Claims

Patentansprüche
Elektrisches Bauelement mit einer ersten Schicht (26-32) einer vorbestimmten ersten elektrischen Leifähigkeit, einem ersten Kontakt (16), der an einer ersten Oberfläche der ersten Schicht (26-32) angeschlossen ist, sowie einem zweiten Kontakt (17), der an die erste Schicht (26-32) angeschlossen ist, um bei Anlegen einer Spannung an die Kontakte (16, 17) einen Stromfluß vorbestimmter Richtung durch die erste Schicht (26-32) hindurch zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kontakt (17) ebenfalls an die erste Oberfläche der ersten Schicht (26-32) angeschlossen ist, daß auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der ersten Schicht (26-32) eine zweite Schicht (24; 34) einer vorbestimmten zweiten elektrischen Leitfähigkeit angeordnet ist, und daß die zweite elektrische Leitfähigkeit wesentlich größer als die erste elektrische Leitfähigkeit ist, derart, daß der Stromfluß auf U-förmiger Bahn vom ersten Kontakt (16) auf kürzestem Wege durch die erste Schicht (26- 32) hindurch zur zweiten Schicht (24; 34), dort quer durch die zweite Schicht und dann auf kürzestem Wege von der zweiten Schicht (24; 34) durch die erste Schicht (26-32) hindurch zum zweiten Kontakt (17) verläuft.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es auf der Basis von amorphem Silizium und dessen Legierungen aufgebaut ist, und daß die erste Schicht (26-32) eine n- Typ Schicht (32) aufweist.
3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (34) eine p-Typ Schicht ist.
4. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (24) eine transparente Aluminiumschicht aufweist.
5. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht zumindest eine intrinsische Schicht (28, 30) aufweist, die auf der dem Kontakt (16) abgewandten Seite der n-Typ Schicht (32) angeordnet ist.
6. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (26-32) eine p-Typ Schicht (26) aufweist, die benachbart zu der zweiten Schicht angeordnet ist.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als photoempfindliches Bauelement ausgelegt ist, wobei die zweite Schicht (24; 34) der Lichteinfallseite zugewandt ist.
8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (24; 34) auf einem Substrat (22), vorzugsweise einem Glassubstrat aufgebracht ist.
9. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Typ Schicht (26) als a-SiC:H-Schicht und die n-Typ Schicht (32) als a-SiC:H-Schicht ausgebildet ist.
10. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Typ Schicht (34) als hochleitfähige mikrokristalline μc-Si:H-Schicht oder als a-Si:H-Schicht und die n-Typ Schicht (32) als a-SiC:H-Schicht ausgebildet ist.
11. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die intrinsische Schicht (28, 30) als a-SiC:H und a-Si:H- Doppelschicht ausgebildet ist.
12. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die intrinsische Schicht (28, 30) als Schicht mit gradiertem Bandabstand ausgebildet ist.
13. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die intrinsische Schicht (28, 30) mehrere Schichten mit und ohne Bandabstandsgradierung umfaßt.
14. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kontakt (16) als Mittelkontaktelement und der zweite Kontakt (17) als Ringkontaktelement ausgebildet ist, wobei das Ringkontaktelement (17) das Mittelkontaktelement (16) teilweise oder vollständig umgibt.
15. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen der beiden Kontakte (16, 17) gleich groß sind.
16. Verfahren zur Herstellung eines photoempfindlichen elektronisches Bauelements, wobei durch ein Plasma-CVD- Verfahren auf ein Glassubstrat (22) nacheinander folgende Schichten aufgebracht werden: eine elektrisch leitfähige Schicht (24; 34), zumindest eine undotierte intrinsische Schicht und eine n-Typ Schicht (32), dadurch gekennzeichnet, daß auf die n-Typ Schicht (32) zumindest zwei Kontakte (16, 17) aufgebracht, vorzugsweise thermisch aufgedampft werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitfähige Schicht eine transparente Aluminiumschicht (24) gefolgt von einer p-Typ Schicht (26) verwendet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitfähige Schicht eine hochleitfähige p- Typ Schicht (34) verwendet wird.
19. Elektronische Schaltung zur Bildverarbeitung, mit einer in ASIC-Technologie ausgebildeten bildvorverarbeitenden elektronischen Baueinheit (14), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein elektrisches Bauelement (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auf der Baueinheit (14) aufgebracht ist.
0. Schaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Bauelementen (18) matrixförmig aufgebracht sind.
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