WO2022161991A1 - Lawinenfotodiode mit orthogonalem schichtaufbau - Google Patents

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WO2022161991A1
WO2022161991A1 PCT/EP2022/051728 EP2022051728W WO2022161991A1 WO 2022161991 A1 WO2022161991 A1 WO 2022161991A1 EP 2022051728 W EP2022051728 W EP 2022051728W WO 2022161991 A1 WO2022161991 A1 WO 2022161991A1
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semiconductor substrate
photodiode
electrodes
layer
doped layer
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PCT/EP2022/051728
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French (fr)
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Ignaz Eisele
Martin Heigl
Karl Neumeier
Lars Nebrich
Leonhard Strum-Rogon
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
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    • H01L31/035272—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
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    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a photodiode, and in particular to a photodiode with a layer structure which is orthogonal with respect to a photon entry surface. Further exemplary embodiments relate to a method for producing a photodiode. Some exemplary embodiments relate to an orthogonal arrangement for avalanche photodiodes (APD) and silicon photomultipliers (SiPM) with high red sensitivity.
  • APD avalanche photodiodes
  • SiPM silicon photomultipliers
  • planar avalanche photodiodes APD or silicon photomultipliers (SiPM) produced on silicon substrates have a vertical layer structure.
  • the structure of a vertical avalanche photodiode is shown in FIG. 1 by way of example.
  • Fig. 1a shows a schematic view of a basic structure of an avalanche photodiode (APD) in cross section, here with a vertical dopant profile course n + -p- ip + [1], the underlying p+ region is used for better electrical transition to the metallic rear contact.
  • the n-doped areas at the upper contact edge serve as protective structures (engl. Guard Structures) against interference from the surrounding intrinsic area.
  • Fig. 1b shows diagrams of dopant, absorption, electric field and conductor band courses plotted over the vertical section through the active region in the center of the avalanche photodiode (APD) shown in Fig. 1a [2],
  • the diodes are operated in the breakdown range of the reverse direction. When photons are absorbed in the active region, electron-hole pairs are generated, which lead to an avalanche-like effect during operation, which enables strong/high/large amplification of the signal.
  • a high operating voltage and low-doped silicon material are required to generate a deep space charge zone. If amplifying photo receivers, such as avalanche photo diodes or silicon photo multipliers, are used, which are operated at very high internal field strengths, so-called guard structures are necessary to prevent unwanted lateral breakdown.
  • amplifying photo receivers such as avalanche photo diodes or silicon photo multipliers
  • [3] describes a lateral avalanche photodiode formed in an SOI layer, in which the doping for the multiplication layer is produced by surface implantation and subsequent diffusion, this taking place over the entire depth of the SOI layer.
  • the concentration of the dopants on the surface is greater than on the underside of the SOI layer.
  • This causes a depth-dependent change in the breakdown voltage, which is why functioning avalanche photodiodes can only be produced down to a depth of a few pm.
  • Trench etching only takes place after this diffusion in order to realize the cathode electrode.
  • the present invention is therefore based on the object of creating a photodiode with high sensitivity in the long-wave range, which has a better area efficiency.
  • Embodiments provide a two-electrode photodiode [e.g. an anode and a cathode] and an absorption volume for absorbing photons, the absorption volume having a photon entry surface, the two electrodes being designed to, when a reverse voltage is applied, create an electric field in an active region [e.g. the absorption volume] between the two electrodes, with the electric field being parallel to the photon entrance surface [e.g. where field lines of the electric field run parallel to the photon entry surface].
  • an active region e.g. the absorption volume
  • the electric field being parallel to the photon entrance surface [e.g. where field lines of the electric field run parallel to the photon entry surface].
  • the two electrodes can extend, starting from a surface of a semiconductor substrate of the photodiode, essentially orthogonally to the surface in the depth direction of the semiconductor substrate, with the photodiode having at least one protective structure formed in the semiconductor substrate and arranged below at least one of the at least two electrodes is.
  • the at least one protective structure can be enclosed by the semiconductor substrate in the lateral direction and in the deep direction.
  • a lateral extent of the at least one protective structure can be two to five times a lateral extent of the corresponding electrode.
  • the at least one protective structure can be spherical, cube-shaped or block-shaped, each with strongly rounded corners or edges.
  • the semiconductor substrate is a continuous silicon semiconductor substrate.
  • the two electrodes can run essentially orthogonally [eg at an angle of 90° or at an angle of 70° to 110°] to the photon entry surface.
  • the two electrodes may extend in the depth direction from the surface of the semiconductor substrate at least to a depth of 5 ⁇ m or more [e.g. 10 pm to 30 pm] extend into the semiconductor substrate.
  • the two electrodes may extend substantially orthogonally [e.g. at an angle of 90° or at an angle of 70° to 110°] to the surface in the depth direction of the semiconductor substrate (101) [e.g. the surface being parallel to the photon entrance surface].
  • the absorption volume can be located between the two electrodes.
  • layers [e.g. semiconductor layers] of a diode layer stack between the two electrodes essentially orthogonal [e.g. at an angle of 90° or at an angle of 70° to 110°] to the photon entry surface.
  • the diode layer stack may include the following layers: a p + doped layer, an intrinsic or p- doped layer, a p-doped layer, and an n + doped layer.
  • the diode layer stack may include the following layers: an n + doped layer, an intrinsic or m doped layer, an n doped layer, and a p + doped layer.
  • the diode layer stack can alternatively also have the following layers: an n + doped layer, an intrinsic layer, a p-doped layer, an intrinsic layer, a p + -doped layer.
  • the diode layer stack can alternatively also have the following layers: a p + doped layer, an intrinsic layer, an n doped layer, an intrinsic layer, an n + doped layer.
  • the photodiode may include at least one protective structure [e.g. guard structure] that [e.g. in the depth direction of the semiconductor substrate of the photodiode] [e.g. immediately] below at least one of the at least two electrodes [e.g. to concentrate the electric field in the area of the absorption volume [e.g. and to reduce in marginal areas]].
  • at least one protective structure e.g. guard structure
  • the at least two electrodes e.g. to concentrate the electric field in the area of the absorption volume [e.g. and to reduce in marginal areas].
  • the photodiode may be an avalanche photodiode or a photomultiplier.
  • the method includes a step of providing a semiconductor substrate. Furthermore, the method comprises a step of providing at least two electrodes [e.g. anode and cathode] in or on the semiconductor substrate. Furthermore, the method comprises a step of providing a diode layer stack between the at least two electrodes, wherein layers of the diode layer stack are substantially orthogonal [e.g. at an angle of 90° or at an angle of 70° to 110°] to a surface of the semiconductor substrate.
  • the at least two electrodes and the diode layer stack can be provided in the semiconductor substrate by forming, starting from the surface of the semiconductor substrate, at least two spaced-apart recesses [e.g. trenches] in the semiconductor substrate [e.g.
  • the semiconductor substrate between the at least two recesses to the diode layer stack [eg diode layer structure] between the at least two to obtain recesses, wherein layers of the diode layer stack are substantially orthogonal [eg at an angle of 90° or at an angle of 70° to 110°] to the surface of the semiconductor substrate; and providing the at least two electrodes [eg, anode and cathode] in the at least two recesses.
  • the diode layer stack eg diode layer structure
  • layers of the diode layer stack are substantially orthogonal [eg at an angle of 90° or at an angle of 70° to 110°] to the surface of the semiconductor substrate
  • the at least two electrodes eg, anode and cathode
  • the two electrodes can extend from a surface of a semiconductor substrate of the photodiode essentially orthogonally to the surface in the depth direction of the semiconductor substrate, the method further comprising forming in the semiconductor substrate at least one protective structure under at least one of the at least two electrodes.
  • the at least two electrodes, the protective structure and the diode layer stack can be provided in the semiconductor substrate by forming, starting from the surface of the semiconductor substrate, at least two recesses spaced apart from one another in the semiconductor substrate; forming a protective structure recess below one of the at least two electrodes; Doping the semiconductor substrate between the at least two recesses, starting from the at least two recesses and partially starting from the protective structure recess, in order to obtain the protective structure and the diode layer stack between the at least two recesses, with layers of the diode layer stack running essentially orthogonally to the surface of the semiconductor substrate ; Providing the at least two electrodes in the at least two recesses.
  • the at least two recesses can be formed by etching, or by locally oxidizing the semiconductor substrate and then removing the oxide, or by growing through selective deposition.
  • the semiconductor substrate can be doped at least partially starting from the at least two recesses.
  • the semiconductor substrate can be doped by covering it with a layer containing dopant by chemical vapor deposition, or by doping from the vapor phase.
  • the at least two electrodes and the diode layer stack can be provided on the semiconductor substrate by layer-by-layer Growing [eg epitaxy] the at least two electrodes; and layer-by-layer growth [eg epitaxy] and local doping of the diode layer stack.
  • the diode layer stack can be doped by ion implantation in conjunction with photolithography.
  • the diode layer stack may include the following layers: a p + doped layer, an intrinsic or p- doped layer, a p-doped layer, and an n + doped layer.
  • the diode layer stack may include the following layers: an n + doped layer, an intrinsic or m doped layer, an n doped layer, and a p + doped layer.
  • the diode layer stack can alternatively also have the following layers: an n + doped layer, an intrinsic layer, a p doped layer, an intrinsic layer, a p + doped layer.
  • the diode layer stack can alternatively also have the following layers: a p + doped layer, an intrinsic layer, an n doped layer, an intrinsic layer, an n + doped layer.
  • the at least two electrodes can be formed by providing and structuring a metallization layer and/or a highly doped layer.
  • the method can also include a step of forming at least one protective structure [e.g. guard structure] [e.g. immediately] below at least one of the at least two electrodes [e.g. to concentrate the electric field in the region of the absorption volume [e.g. and to reduce it in edge regions or to suppress current paths/leakage currents].
  • the photodiode may be an avalanche photodiode or a photomultiplier.
  • SiPM silicon photomultipliers
  • FIG. 1a shows a schematic view of a basic structure of an avalanche photodiode in cross section, here with a vertical dopant profile progression n + -pip + [1],
  • Fig. 1b in diagrams dopant, absorption, electric field and conductor band curves, plotted over the vertical section through the active region in the middle of the avalanche photodiode (APD) shown in Fig. 1a [2],
  • Fig. 2a is a schematic cross-sectional view of a photodiode, according to a
  • Fig. 2b is a schematic cross-sectional view of a photodiode, according to a
  • 3a is a schematic cross-sectional view of a conventional avalanche photodiode
  • 3b shows a schematic cross-sectional view of an avalanche photodiode according to an embodiment of the present invention.
  • 4 shows a flowchart of a method for producing a photodiode, according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5a shows a schematic cross-sectional view of the photodiode during its manufacture after the step of providing the semiconductor substrate
  • 5b shows a schematic view of the photodiode during its manufacture after a step of forming at least two recesses spaced apart from one another in the semiconductor substrate
  • 5c shows a schematic cross-sectional view of the photodiode during the production thereof after a step of doping the semiconductor substrate between the at least two recesses
  • 5d shows a schematic cross-sectional view of the photodiode during its production after a step of providing at least two electrodes in the at least two recesses
  • 6a shows a schematic cross-sectional view of the photodiode during its manufacture after the step of providing the semiconductor substrate and growing a first layer on a surface of the semiconductor substrate
  • 6b shows a schematic cross-sectional view of the photodiode during its manufacture after a step of local doping of the first layer
  • 6c shows a schematic cross-sectional view of the photodiode during its manufacture after the step of growing a second layer onto the first layer
  • 6d shows a schematic cross-sectional view of the photodiode during its manufacture after a step of locally doping the second layer
  • 6e shows a schematic cross-sectional view of the photodiode during its manufacture after several layers have been grown on the semiconductor substrate and contacts have been provided on the doped regions.
  • 7 shows a schematic cross-sectional view of a photodiode according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8a shows a schematic cross-sectional view of the photodiode during its manufacture after a step of forming an avalanche layer of a diode layer stack of the photodiode.
  • Fig. 8b is a schematic cross-sectional view of the photodiode during manufacture thereof after a step of forming a first electrode (e.g. cathode) and a protective structure underneath the first electrode, and
  • a first electrode e.g. cathode
  • 8c shows a schematic cross-sectional view of the photodiode during its production after the production of a further layer of the diode layer stack, a second electrode and contacting of the first and second electrodes.
  • FIG. 2a shows a schematic cross-sectional view of a photodiode 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the photodiode 100 comprises a semiconductor substrate 101, two electrodes 102 and 104 (e.g. an anode and a cathode) formed in the semiconductor substrate 101, and between the electrodes 102 and 104 an absorption volume 112 for absorbing photons 108, the absorption volume 112 at a surface 105 of the semiconductor substrate 101 or parallel to the surface 105 has a photon entry surface 106 .
  • the electrodes 102 and 104 are designed to generate an electric field 110 in an active region (e.g. in the absorption volume 112) between the electrodes 102 and 104 when a reverse voltage is applied, the electric field 110 being parallel to the photon entry surface 106 or The surface 105 of the photodiode 100 runs.
  • the electrodes 102 and 104 are arranged essentially orthogonally (eg at an angle of 90° or at an angle of 70° to 110°) to the photon entry surface 106 or surface 105 of the photodiode 100.
  • the electrodes 102 and 104 thus extend from the surface 105 of the Semiconductor substrate 101 of the photodiode 100 substantially orthogonal to the surface 105 in the depth direction of the semiconductor substrate 101.
  • FIG. 2b shows a schematic cross-sectional view of a photodiode 100 according to an embodiment of the present invention.
  • an exemplary diode layer structure 128 of the photodiode 100 is also shown in FIG. 2b .
  • the layers 120 , 122 , 124 , 126 of the diode layer structure 128 can be arranged essentially orthogonally to the photon entry surface 106 or surface 105 of the photodiode 100 .
  • the diode layer structure 128 of the photodiode 100 can be as follows
  • Layers include: a p + doped layer 120, an intrinsic or p- doped layer 122, a p doped layer 124, and an n + doped layer 126.
  • the diode layer structure 128 of the photodiode 100 can be as follows
  • Layers include: an n + doped layer, an intrinsic or m doped layer, an n doped layer, and a p + doped layer.
  • the diode layer structure 128 of the photodiode 100 can be as follows
  • Layers include: an n + doped layer, an intrinsic layer, a p doped layer, an intrinsic layer, a p + doped layer.
  • the diode layer structure 128 of the photodiode 100 can be as follows
  • Layers have: a p + doped layer, an intrinsic layer, an n doped layer, an intrinsic layer, an n + doped layer.
  • the photodiode may be an avalanche photodiode or a photomultiplier.
  • FIG 3 shows a comparison between a conventional vertical avalanche photodiode 10 and an orthogonal avalanche photodiode 100 (avalanche photodiode with an orthogonal structure) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3a shows a schematic cross-sectional view of a conventional avalanche photodiode 10.
  • an electric field 16 is generated between the anode 12 and the cathode 14, which runs orthogonally to a photon entry surface 18 of the photodiode 10 or parallel to the absorption direction of the photons 20.
  • the layers (p + , p- or i, p, n + ) of the diode layer structure of the conventional photodiode 10 also run parallel to the photon entry surface 18 of the photodiode.
  • FIG. 3b shows a schematic cross-sectional view of an avalanche photodiode 100 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 3b shows a concept of a three-dimensional orthogonal avalanche photodiode.
  • the deep-reaching active region can be produced by means of dopants. As can be seen in FIG.
  • the photodiode 100 has an orthogonal structure in which the anode 102 and the cathode 104 are arranged orthogonally, so that an electric field 110 is generated between the anode 102 and the cathode 104 when a reverse voltage is applied is, which runs parallel to a photon entry surface 106 of the photodiode 100 or orthogonal to the absorption direction of the photons 108 .
  • the layers (p + , p- or i, p, n + ) of the diode layer structure of the photodiode accordingly also run orthogonally to the photon entry surface 106.
  • Embodiments of the present invention make it possible to avoid the dependency between absorptivity and high operating voltage, since the electric field and light incidence (optical absorption) are orthogonal to one another.
  • the electric field or the operating voltage of the photodiode is determined by the distance between the cathode and the anode.
  • the absorption through the depth of the active area in silicon. Due to the orthogonal arrangement, operating voltage and absorption depth can be decoupled from one another.
  • the operating voltage can be adjusted through the lateral dimensions.
  • Exemplary embodiments have the advantage that the orthogonal structure can theoretically produce an absorption volume of almost any depth, regardless of the design of the electrical operating voltage.
  • Exemplary embodiments have the advantage that in the case of orthogonal photodiodes (in contrast to vertical photodiodes), the protective structures can be constructed in such a way that they do not reduce the photon entry area, for example by attaching the protective structures to the lower end of the electrodes.
  • the method 200 includes a step of providing 202 a semiconductor substrate. Furthermore, the method includes a step 204 of providing at least two electrodes in or on the semiconductor substrate. Furthermore, the method 200 comprises a step 206 of providing a diode layer stack between the at least two electrodes, layers of the diode layer stack running essentially orthogonally to a surface of the semiconductor substrate.
  • FIGS. 5 and 6 show schematic cross-sectional views of the photodiode after different steps of the method for producing the same.
  • FIG. 5a shows a schematic cross-sectional view of the photodiode 100 during its manufacture after the step of providing the semiconductor substrate 101.
  • the semiconductor substrate 101 can be a silicon semiconductor substrate, for example.
  • Fig. 5b shows a schematic view of the photodiode 100 during its manufacture after a step of forming, starting from a surface 105 of the semiconductor substrate 105, at least two recesses 103 (e.g. trenches) spaced apart from one another in the semiconductor substrate 101.
  • a step of forming starting from a surface 105 of the semiconductor substrate 105, at least two recesses 103 (e.g. trenches) spaced apart from one another in the semiconductor substrate 101.
  • the recesses 103 in the semiconductor substrate 101 can extend in the depth direction of the semiconductor substrate 101, i.e. orthogonally to the surface 105 of the semiconductor substrate 101.
  • the at least two recesses 103 can be formed by etching.
  • the at least two recesses 103 can be formed by locally oxidizing the semiconductor substrate and then removing the oxide, or by growing through selective deposition.
  • 5c shows a schematic cross-sectional view of the photodiode 100 during the production thereof after a step of doping the semiconductor substrate 101 between the at least two recesses 103 in order to obtain a diode layer stack 128 between the at least two recesses 103.
  • layers 120, 122, 124, 126 of the diode layer stack 128 can run essentially orthogonally to the surface 105 of the semiconductor substrate 101.
  • the layers 120, 122, 124, 126 in FIG. 5c are only shown as examples and that the diode layer stack 128 can also be implemented with a different number of layers and a different arrangement of the layers.
  • the semiconductor substrate 101 can be doped at least partially starting from the at least two recesses 103 .
  • the semiconductor substrate 101 can be doped by covering it with a dopant-containing layer by chemical vapor deposition, or by doping from the vapor phase.
  • the diode layer stack 128 may include the following layers: a p + doped layer, an intrinsic or p- doped layer, a p-doped layer, and an n + doped layer.
  • the diode layer stack 128 may include the following layers: an n + doped layer, an intrinsic or m doped layer, an n doped layer, and a p + doped layer.
  • the diode layer stack 128 may include the following layers: an n + doped layer, an intrinsic layer, a p doped layer, an intrinsic layer, a p + doped layer.
  • the diode layer stack 128 may include the following layers: a p + doped layer, an intrinsic layer, an n-doped layer, an intrinsic layer, an n + -doped layer.
  • FIG. 5d shows a schematic cross-sectional view of the photodiode 100 during the production thereof after a step of providing at least two electrodes 102 and 104 in the at least two recesses.
  • the at least two electrodes can be formed by providing and structuring a metallization layer and/or a highly doped layer.
  • Fig. 6a shows a schematic cross-sectional view of the photodiode 100 during its manufacture after the step of providing the semiconductor substrate 101 and growing a first layer 130_1 on a surface of the semiconductor substrate 101.
  • the semiconductor substrate 101 may be a silicon semiconductor substrate.
  • the first layer 130_1 may be an intrinsic layer.
  • the first layer 130_1 may be grown by epitaxy, such that the first layer 130_1 may be a first epitaxial layer.
  • FIG. 6b shows a schematic cross-sectional view of the photodiode 100 during the production thereof after a step of locally doping the first layer 130_1.
  • doped regions 140, 142 and 144 can be obtained in the first layer 130_1 by the local doping, such as a p + doped region 140, a p doped region 142 and an n + doped region 144 .
  • the doping can be done, for example, by ion implantation in conjunction with photolithography.
  • 6c shows a schematic cross-sectional view of the photodiode 100 during its manufacture after the step of growing a second layer 130_2 onto the first layer 130_1.
  • the second layer 130_2 may be an intrinsic layer. In embodiments, the second layer 130_2 may be grown by epitaxy, such that the second layer 130_2 may be a second epitaxial layer.
  • FIG. 6d shows a schematic cross-sectional view of the photodiode 100 during the production thereof after a step of locally doping the second layer 130_2.
  • doped areas 140, 142 and 144 can be obtained in the second layer 130_1 by the local doping, such as a p + doped area 140, a p doped area 142 and an n + doped area 144
  • the doping can be done, for example, by ion implantation in conjunction with photolithography.
  • Figure 6e shows a schematic cross-sectional view of the photodiode 100 during its manufacture after multiple layers 130 have been grown on the semiconductor substrate 101 and contacts 146 and 148 have been provided on the doped regions 140 and 144, such as a contact 146 for an anode and a contact 148 for a cathode.
  • a protective layer 129 such as an oxide layer (e.g. SiO2) can also be provided on the grown layers.
  • an oxide layer e.g. SiO2
  • the photodiode may be an avalanche photodiode or a photomultiplier.
  • the photodiode 100 can, as already mentioned above (cf. e.g. Fig. 3b), have at least one protective structure 130 (e.g. guard structure) which is arranged below at least one of the at least two electrodes in the depth direction of the semiconductor substrate of the photodiode 100 is, for example, to concentrate the electric field in the area of the absorption volume or to reduce it in the edge areas.
  • a photodiode 100 with such a protective structure 130 are described in more detail below.
  • the following description of the photodiode 100 or of the protective structure 130 can of course also be applied to the exemplary embodiments of the photodiode 100 described above.
  • the photodiode 100 comprises a semiconductor substrate 101, two electrodes 102 and 104 (e.g. anode 102 and cathode 104) formed in the semiconductor substrate 101, an absorption volume 112 for absorbing photons between the two electrodes 102 and 104, and a diode layer stack 128 between the two electrodes 102 and 104, layers 120, 122, 124 and 126 of the diode layer stack 128 in the region of the absorption volume 112 running essentially orthogonally to a surface 105 of the semiconductor substrate 101 or a photon entry surface 106 of the photodiode 100 (lateral avalanche photodiode or lateral avalanche photodiode).
  • the diode layer stack 128 can, as shown in FIG .
  • the diode layer stack 128 can also have an n+ doped layer 120, an intrinsic or n- doped layer 122, an n-doped layer 124 and a p+-doped layer.
  • the semiconductor substrate 101 may be a continuous semiconductor substrate, such as a continuous silicon semiconductor substrate.
  • the photodiode 100 can be formed in this continuous semiconductor substrate 101 .
  • the two electrodes 102 and 104 can extend from the surface 105 of the semiconductor substrate 101 at least to a depth of 5 ⁇ m (e.g. 10 ⁇ m to 20 ⁇ m, or 10 ⁇ m to 30 ⁇ m) into the semiconductor substrate 101 .
  • the two electrodes 102 and 104 can be formed in the semiconductor substrate 101 in two trenches spaced apart from one another.
  • electrode material eg a metallization layer or a highly doped layer
  • the layers 120, 124 and 126 of the diode layer stack 128 can be covered by covering the walls of the two trenches with respective dopants and outdiffusing of the same are produced, as a result of which the shapes of the layers 120, 124 and 126 shown in FIG. 7 result around the respective trenches or electrodes 102 and 104.
  • a field increase occurs at the lower end of one of the trenches filled with conductive material, such as the trench which forms the electrode 104 in FIG. 7 (cathode), which lowers the breakdown voltage there.
  • the breakdown voltage can be significantly increased by the protective structure 130 (e.g. guard structure), so that it is above the desired or required lateral breakdown voltage.
  • a protective structure 130 (e.g. guard structure) is therefore formed below at least one of the two electrodes 102 and 104, such as below electrode 104 in Figure 7 (cathode).
  • this protective structure 130 can be produced by reducing the dopant concentration of avalanche zone 124 and cathode 104 at the lower end of the trench.
  • this protective structure 130 can be produced by a suitable enlargement of the electrode radius at the lower end of the trench. This can be achieved, for example, by a spherical widening during trench etching. As a result, this breakdown voltage can be set independently of the lateral breakdown voltage.
  • a lateral extent of the protective structure 130 (e.g. in the lateral direction of the semiconductor substrate or parallel to the surface 105 of the semiconductor substrate) can be two to five times a lateral extent (e.g. diameter) of the corresponding trench or the corresponding electrode.
  • an extent of the protective structure 130 in the lateral direction and/or in the depth direction can be limited, e.g. to two to five times a lateral extent (e.g. diameter) of the corresponding trench or the corresponding electrode.
  • the protective structure 130 can be spherical, cube-shaped, or cuboid-shaped, each with strongly rounded corners. If the corresponding electrode (eg cathode) is designed as a (substantially) circular rod or a closed, rotationally symmetrical curve, lateral protective structures are unnecessary.
  • the corresponding electrode (eg cathode) can be arranged in the center of the cell or as a frame of the cell.
  • FIGS. 8a to 8c An exemplary embodiment of a method for producing a photodiode 101 with such a protective structure 130 below at least one of the two electrodes is described in more detail below with reference to FIGS. 8a to 8c.
  • 8a to 8c show different intermediate products of the photodiode 101 during the production of the same.
  • the production of a spherical protective structure 130 is shown as an example. However, the following description can also be applied to other protective structures in a corresponding manner.
  • a semiconductor substrate 101 such as a silicon semiconductor substrate, is first provided.
  • a first oxide layer 150 is applied to a surface 105 of the semiconductor substrate 101 and a first trench 103_1 is formed in the semiconductor substrate 101, e.g. starting from the surface 105 of the semiconductor substrate 101 in the depth direction of the semiconductor substrate (e.g. perpendicular to the surface 105), for example to a depth of at least 5 pm (e.g. 10 pm to 20 pm, or 10 pm to 30 pm).
  • the first trench 103_1 can have a lateral extent (e.g. diameter) of 0.5 ⁇ m to 2 ⁇ m, for example.
  • the wall of the first trench 103_1 can then be covered with a dopant, such as a p-type dopant, and the layer 124 (avalanche layer/avalanche zone) can be formed by outdiffusion of the dopant.
  • the lateral diffusion gradient is independent of depth.
  • Fig. 8b shows a schematic cross-sectional view of the photodiode 100 during the production of the same after a step of forming a first electrode 104 (e.g. cathode) and a protective structure 130 below the first electrode 104.
  • a spherical recess is made at a lower end of the first trench 103_1 131 etched, for example by an isotropic etch (eg isotropic ball etch).
  • the first trench 103_1 can be lengthened beforehand in the depth direction, for example by anisotropic etching (eg anisotropic trench deepening).
  • a polysilicon layer 126 such as an n + polysilicon layer, can be deposited on the walls of the first trench 103_1 and the spherical recesses 131, with ions (e.g. n + ions) from the polysilicon layer 126 into the layer 124 (avalanche layer / Avalanche zone) and outdiffuse below the layer 124 in the semiconductor substrate 101.
  • a part of the polysilicon layer 126 deposited on the first oxide layer 150 can be structured, eg in order to limit a lateral extent of the polysilicon layer 126 on the first oxide layer 150 .
  • the first trench 130_1 can be filled/closed by applying a second oxide layer 152 .
  • the polysilicon layer 124 can form the first electrode 104 (eg cathode) of the photodiode 100 .
  • Fig. 8c shows a schematic cross-sectional view of the photodiode 100 during its production after the production of the layer 120 of the diode layer stack, a second electrode 102 and the contacting of the first and second electrodes 102 and 104.
  • a second trench 103_2 (engl. Trench ) are formed in the semiconductor substrate 101, e.g. starting from the surface 105 of the semiconductor substrate 101 in the depth direction of the semiconductor substrate (e.g. perpendicular to the surface 105), for example to a depth of at least 5 pm (e.g. 10 pm to 20 pm, or 10 pm to 30 pm) .
  • the second trench 103_2 can have, for example, a lateral extension (eg diameter) of 0.5 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the wall of the second trench 103_2 can then be covered with a dopant, such as a p dopant, and the layer 120 of the diode layer stack can be formed by outdiffusion of the dopant, which layer can be a p + doped layer, for example.
  • the lateral diffusion gradient is independent of depth.
  • the second trench 103_2 can then be filled with an electrode layer 156, such as tungsten or p + polysilicon.
  • a part of the electrode layer 156 deposited on the second oxide layer 152 can be structured, for example in order to limit a lateral expansion of the electrode layer 156 on the second oxide layer 152 .
  • a third oxide layer 154 can then be deposited in order to close the second trench 103_2. Vias may be formed through the respective oxide layers 152, 154 to contact the respective electrode layers 156 and 126 and a metal layer 160 may be deposited to contact the respective electrode layers 156 and 126.
  • the metal layer 160 can then be patterned to obtain contact pads (eg, bond pads) 162 and 164 .
  • the breakdown voltage and thus the APD amplification factor is depth-independent in exemplary embodiments. This is achieved by the following measures. First trench etching and then occupancy of the trench side wall with dopants (eg occupancy from the gas phase: CVD, epitaxy, doped oxides, etc.). Then lateral diffusion of the Dopants for creating the “avalanche layer” (indicated by reference numeral 124 in FIGS. 8a-8c).
  • aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also constitute a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
  • Some or all of the method steps may be performed by hardware apparatus (or using a hardware apparatus), such as a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the essential process steps can be performed by such an apparatus.

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Abstract

Lawinenphotodiode mit zwei Elektroden (102, 104) und einem Absorptionsvolumen (112) zur Absorption von Photonen, wobei das Absorptionsvolumen eine Photoneneintrittsfläche (106) aufweist, wobei die zwei Elektroden ausgebildet sind, um, bei Anliegen einer Sperrspannung, ein elektrisches Feld in einem aktiven Gebiet zwischen den zwei Elektroden zu erzeugen, wobei das elektrische Feld parallel zu der Photoneneintrittsfläche verläuft, wobei sich die zwei Elektroden ausgehend von einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats der Fotodiode im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats erstrecken, wobei die Fotodiode zumindest eine in dem Halbleitersubstrat gebildete Schutzstruktur bzw. Guard-Struktur (130) aufweist, die unterhalb zumindest einer der zumindest zwei Elektroden angeordnet ist.

Description

LAWINENFOTODIODE MIT ORTHOGONALEM SCHICHTAUFBAU
Beschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Fotodiode, und im speziellen, auf eine Fotodiode mit einem in Bezug auf eine Photoneneintrittsfläche orthogonalen Schichtaufbau. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Fotodiode. Manche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine orthogonale Anordnung für Lawinenfotodioden (engl. Avalanche Photodiode, APD) und Silizium-Fotoelektronenvervielfacher (engl. Silicon Photomultiplier, SiPM) mit hoher Rot- Empfindlichkeit.
Für Detektionssysteme, wie z.B. LIDAR (Light Detection and Ranging, dt. eine Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung), werden hochempfindliche Fotodetektoren mit hoher spektraler Empfindlichkeit im nahen Infrarotbereich (NIR) benötigt. Im nahen Infrarotbereich nimmt der Absorptionskoeffizient von Photonen für Silizium allerdings deutlich ab, so dass für eine geeignete Anzahl von erzeugten Elektron-Loch-Paaren ein großes Volumen benötigt wird. Um einen hohen elektrischen Verstärkungsfaktor zu erzielen, werden Dioden im Durchbruchsbereich der Sperrrichtung betrieben, was zu einem lawinenartigen Effekt führt. Das Problem bei den bisherigen Detektoren liegt darin, dass bei einem vertikalen Aufbau mit zunehmendem Absorptionsvolumen die für den Lawineneffekt notwendigen elektrischen Spannungen ebenfalls zunehmen müssen, wie im Folgenden ausgeführt wird.
Herkömmlicherweise haben auf Silizium-Substraten erzeugte planare Lawinenfotodioden (engl. Avalanche Photodiode, APD) bzw. Silizium-Fotovervielfacher (engl. Silicon Photomultiplier, SiPM) einen vertikalen Schichtaufbau. Der Aufbau einer vertikalen Lawinenfotodiode ist beispielhaft in Fig. 1 dargestellt.
Im Detail zeigt Fig. 1a eine schematische Ansicht eines grundlegenden Aufbaus einer Lawinenfotodiode (APD) im Querschnitt, hier mit einem vertikalen Dotierstoffprofilverlauf n+-p- i-p+ [1], Das unten liegende p+ Gebiet dient dem besseren elektrischen Übergang zum metallischen Rückseitenkontakt. Die n dotierten Gebiete am oberen Kontakt-Rand dienen als Schutzstrukturen (engl. Guard Structures) gegen Störeinflüsse aus dem umliegenden intrinsischen Bereich. Fig. 1 b zeigt in Diagrammen Dotierstoff-, Absorptions-, Elektrische-Feld- und Leiterband- Verläufe, aufgetragen über den vertikalen Schnitt durch das aktive Gebiet in der Mitte der in Fig. 1a gezeigten Lawinenfotodiode (APD) [2],
Die Dioden werden im Durchbruchsbereich der Sperrrichtung betrieben. Bei Absorption von Photonen im aktiven Gebiet werden Elektronen-Loch-Paare erzeugt, die im Betrieb zu einem lawinenartigen Effekt führen, der eine starke/hohe/große Verstärkung des Signals ermöglicht.
Bei üblichen planaren Fotodioden verlaufen elektrisches Feld und Lichtrichtung parallel. Bei geringer werdendem Absorptionsvermögen ist das gleichbedeutend mit einem Abnehmen der Empfindlichkeit im langwelligen Bereich. Dieser Empfindlichkeitsverlust kann durch eine lange Absorptionsstrecke (= große Raumladungszone (RLZ)) kompensiert werden.
Für die Erzeugung einer tiefen Raumladungszone sind eine hohe Betriebsspannung und niedrig dotiertes Siliziummaterial notwendig. Werden verstärkende Fotoempfänger, wie z.B. Lawinenfotodioden bzw. Silizium-Fotovervielfacher eingesetzt, die bei sehr hohen internen Feldstärken betrieben werden, sind sogenannte Schutzstrukturen (engl. Guard Structures) notwendig, die einen unerwünschten seitlichen Durchbruch verhindern.
Mit zunehmender Spannung (= tiefe RLZ = zunehmende Rotempfindlichkeit) werden diese Schutzstrukturen (engl. Guard Structures) immer größer.
Diese Schutzstrukturen belegen Bereiche der Photoneneintrittsfläche, die nicht für die Detektion von Photonen zur Verfügung steht. Beim Betrieb mit höheren Spannungen sinkt damit der Flächenwirkungsgrad der Diode (Wirkungsgrad der Diode über Gesamtfläche).
In [3] wird eine laterale, in einer SOI-Schicht gebildete Lawinenfotodiode beschrieben, bei der die Dotierung für die Multiplikationsschicht durch eine Oberflächenimplantation und einer anschließenden Diffusion erzeugt wird, wobei diese über die komplette Tiefe der SOI-Schicht erfolgt. Dabei ist die Konzentration der Dotierstoffe an der Oberfläche größer als an der Unterseite der SOI-Schicht. Dies bedingt eine tiefenabhängige Änderung der Durchbruchspannung, weshalb funktionierende Lawinenfotodioden nur bis zu einer Tiefe von einigen pm erzeugt werden können. Erst nach dieser Diffusion erfolgt eine Trenchätzung, um die Kathodenelektrode zu realisieren. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Fotodiode mit einer hohen Empfindlichkeit im langwelligen Bereich zu schaffen, die einen besseren Flächenwirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
Ausführungsbeispiele schaffen eine Fotodiode mit zwei Elektroden [z.B. einer Anode und einer Kathode] und einem Absorptionsvolumen zur Absorption von Photonen, wobei das Absorptionsvolumen eine Photoneneintrittsfläche aufweist, wobei die zwei Elektroden ausgebildet sind, um, beim Anlegen einer Sperrspannung, ein elektrisches Feld in einem aktiven Gebiet [z.B. dem Absorptionsvolumen] zwischen den zwei Elektroden zu erzeugen, wobei das elektrische Feld parallel zu der Photoneneintrittsfläche verläuft [z.B. wobei Feldlinien des elektrischen Feldes parallel zu der Photoneneintrittsfläche verlaufen].
Bei Ausführungsbeispielen können sich die zwei die zwei Elektroden ausgehend von einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats der Fotodiode im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats erstrecken, wobei die Fotodiode zumindest eine in dem Halbleitersubstrat gebildete Schutzstruktur aufweist, die unterhalb zumindest einer der zumindest zwei Elektroden angeordnet ist.
Bei Ausführungsbeispielen kann die zumindest eine Schutzstruktur in lateraler Richtung und in Tiefrichtung von dem Halbleitersubstrat umschlossen sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann eine laterale Ausdehnung der zumindest einen Schutzstruktur das Zwei- bis Fünffache einer lateralen Ausdehnung der entsprechenden Elektrode beträgt.
Bei Ausführungsbeispielen kann die zumindest eine Schutzstruktur kugelförmig, würfelförmig oder quaderförmig jeweils mit stark abgerundeten Ecken bzw. Kanten sein.
Bei Ausführungsbeispielen ist das Halbleitersubstrat ein durchgehendes Silizium Halbleitersubstrat. Bei Ausführungsbeispielen können die zwei Elektroden im Wesentlichen orthogonal [z.B. in einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°] zu der Photoneneintrittsfläche verlaufen.
Bei Ausführungsbeispielen können sich die zwei Elektroden in Tiefenrichtung ausgehend von der Oberfläche des Halbleitersubstrats zumindest bis zu einer Tiefe von 5 pm oder mehr [z.B. 10 pm bis 30 pm] in das Halbleitersubstrat erstrecken.
Bei Ausführungsbeispielen können sich die zwei Elektroden ausgehend von einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (101) der Fotodiode im Wesentlichen orthogonal [z.B. in einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°] zu der Oberfläche in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats (101) erstrecken [z.B. wobei die Oberfläche parallel zu der Photoneneintrittsfläche verläuft].
Bei Ausführungsbeispielen kann das Absorptionsvolumen zwischen den zwei Elektroden angeordnet sein.
Bei Ausführungsbeispielen können Schichten [z.B. Halbleiterschichten] eines Diodenschichtstapels zwischen den zwei Elektroden im Wesentlichen orthogonal [z.B. einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°] zu der Photoneneintrittsfläche verlaufen.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel folgende Schichten aufweisen: eine p+ dotierte Schicht, eine intrinsische oder p- dotierte Schicht, eine p dotierte Schicht, und eine n+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel folgende Schichten aufweisen: eine n+ dotierte Schicht, eine intrinsische oder m dotierte Schicht, eine n dotierte Schicht, und eine p+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel alternativ auch folgende Schichten aufweisen: eine n+ dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine p dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine p+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel alternativ auch folgende Schichten aufweisen: eine p+ dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine n dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine n+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Fotodiode zumindest eine Schutzstruktur [z.B. Guard- Struktur] aufweisen, die [z.B. in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats der Fotodiode] [z.B. unmittelbar] unterhalb zumindest einer der zumindest zwei Elektroden angeordnet ist [z.B. um das elektrische Feld im Bereich des Absorptionsvolumens zu konzentrieren [z.B. und in Randbereichen zu reduzieren]].
Bei Ausführungsbeispielen kann die Fotodiode eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher sein.
Weitere Ausführungsbeispiel schaffen ein Verfahren zur Herstellung einer Fotodiode. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bereitstellens eines Halbleitersubstrats. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens von zumindest zwei Elektroden [z.B. Anode und Kathode] in oder auf dem Halbleitersubstrat. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens eines Diodenschichtstapels zwischen den zumindest zwei Elektroden, wobei Schichten des Diodenschichtstapels im Wesentlichen orthogonal [z.B. einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°] zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrats verlaufen.
Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Elektroden und der Diodenschichtstapel in dem Halbleitersubstrat bereitgestellt werden, durch Bilden, ausgehend von der Oberfläche des Halbleitersubstrats, von zumindest zwei voneinander beabstandeter Ausnehmungen [z.B. Gräben] in dem Halbleitersubstrat [z.B. in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats, d.h. orthogonal zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats]; Dotieren des Halbleitersubstrats zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen, um den Diodenschichtstapel [z.B. Diodenschichtaufbau] zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen zu erhalten, wobei Schichten des Diodenschichtstapels im Wesentlichen orthogonal [z.B. einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°] zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats verlaufen; und Bereitstellen der zumindest zwei Elektroden [z.B. Anode und Kathode] in den zumindest zwei Ausnehmungen.
Bei Ausführungsbeispielen können sich die zwei Elektroden ausgehend von einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats der Fotodiode im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats erstrecken, wobei das Verfahren ferner aufweist Bilden in dem Halbleitersubstrat zumindest einer Schutzstruktur unter zumindest einer der zumindest zwei Elektroden.
Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Elektroden, die Schutzstruktur und der Diodenschichtstapel in dem Halbleitersubstrat bereitgestellt werden, durch Bilden, ausgehend von der Oberfläche des Halbleitersubstrats, von zumindest zwei voneinander beabstandeter Ausnehmungen in dem Halbleitersubstrat; Bilden einer Schutzstruktur-Ausnehmung unterhalb einer der zumindest zwei Elektroden; Dotieren des Halbleitersubstrats zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen ausgehend von den zumindest zwei Ausnehmungen und teilweise ausgehend von der Schutzstruktur-Ausnehmung, um die Schutzstruktur und den Diodenschichtstapel zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen zu erhalten, wobei Schichten des Diodenschichtstapels im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats verlaufen; Bereitstellen der zumindest zwei Elektroden in den zumindest zwei Ausnehmungen.
Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Ausnehmungen durch Ätzen, oder durch lokales Oxidieren des Halbleitersubstrats und anschließender Entfernung des Oxids, oder durch Aufwachsen durch selektive Abscheidung gebildet werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat zumindest teilweise ausgehend von den zumindest zwei Ausnehmungen dotiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat mittels Belegung mit einer dotierstoffhaltigen Schicht durch chemischer Gasphasenabscheidung, oder mittels Dotieren aus der Gasphase dotiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Elektroden und der Diodenschichtstapel auf dem Halbleitersubstrat bereitgestellt werden, durch schichtweises Aufwachsen [z.B. Epitaxieren] der zumindest zwei Elektroden; und schichtweises Aufwachsen [z.B. Epitaxieren] und lokales Dotieren des Diodenschichtstapels.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel durch lonen-lmplantation in Verbindung mit Fotolithographie dotiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel folgende Schichten aufweisen: eine p+ dotierte Schicht, eine intrinsische oder p- dotierte Schicht, eine p dotierte Schicht, und eine n+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel folgende Schichten aufweisen: eine n+ dotierte Schicht, eine intrinsische oder m dotierte Schicht, eine n dotierte Schicht, und eine p+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel alternativ auch folgende Schichten aufweisen: eine n+ dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine p dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine p+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel alternativ auch folgende Schichten aufweisen: eine p+ dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine n dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine n+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Elektroden durch Bereitstellen und Strukturieren einer Metallisierungsschicht und/oder hoch dotierten Schicht gebildet werden. Bei Ausführungsbeispielen kann das Verfahren ferner einen Schritt des Bildens zumindest einer Schutzstruktur [z.B. Guard-Struktur] [z.B. unmittelbar] unterhalb zumindest einer der zumindest zwei Elektroden aufweisen [z.B. um das elektrische Feld im Bereich des Absorptionsvolumens zu konzentrieren [z.B. und in Randbereichen zu reduzieren bzw. Strompfade/Leckströme zu unterdrücken].
Bei Ausführungsbeispielen kann die Fotodiode eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher sein.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine orthogonale Anordnung für Lawinenfotodioden (engl. Avalanche Photodiode, APD) und Silizium-Fotovervielfacher (engl. Silicon Photomultiplier, SiPM) mit hoher Rot-Empfindlichkeit.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a eine schematische Ansicht eines grundlegenden Aufbaus einer Lawinenfotodiode im Querschnitt, hier mit einem vertikalen Dotierstoffprofilverlauf n+-p-i-p+ [1],
Fig. 1b in Diagrammen Dotierstoff-, Absorptions-, Elektrische-Feld- und Leiterband- Verläufe, aufgetragen über den vertikalen Schnitt durch das aktive Gebiet in der Mitte der in Fig. 1a gezeigten Lawinenfotodiode (APD) [2],
Fig. 2a eine schematische Querschnittsansicht einer Fotodiode, gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2b eine schematische Querschnittsansicht einer Fotodiode, gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3a eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen Lawinenfotodiode,
Fig. 3b eine schematische Querschnittsansicht einer Lawinenfotodiode, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Fotodiode, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5a eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Bereitstellens des Halbleitersubstrats,
Fig. 5b eine schematische Ansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bildens von zumindest zwei voneinander beabstandeter Ausnehmungen in dem Halbleitersubstrat,
Fig. 5c eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Dotierens des Halbleitersubstrats zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen,
Fig. 5d eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bereitstellens von zumindest zwei Elektroden in den zumindest zwei Ausnehmungen,
Fig. 6a eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Bereitstellens des Halbleitersubstrats und des Aufwachsens einer ersten Schicht auf eine Oberfläche des Halbleitersubstrats,
Fig. 6b eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des lokalen Dotierens der ersten Schicht,
Fig. 6c eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Aufwachsens einer zweiten Schicht auf die erste Schicht,
Fig. 6d eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des lokalen Dotierens der zweiten Schicht,
Fig. 6e eine schematische Querschnittsansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nachdem mehrere Schichten auf das Halbleitersubstrat aufgewachsen wurden und Kontakte auf den dotierten Bereichen bereitgestellt wurden, Fig. 7 eine schematische Querschnittsansicht einer Fotodiode, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8a eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bildens einer Avalancheschicht eines Diodenschichtstapels der Fotodiode,
Fig. 8b eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bildens einer ersten Elektrode (z.B. Katode) sowie einer Schutzstruktur unterhalb der ersten Elektrode, und
Fig. 8c eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode während der Herstellung derselben nach dem Herstellen einer weiteren Schicht des Diodenschichtstapels, einer zweiten Elektrode sowie einer Kontaktierung der ersten und zweiten Elektroden.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung untereinander austauschbar ist.
Fig. 2a zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Fotodiode 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Fotodiode 100 umfasst ein Halbleitersubstrat 101 , zwei in dem Halbleitersubstrat 101 gebildete Elektroden 102 und 104 (z.B. eine Anode und eine Kathode), und zwischen den Elektroden 102 und 104 ein Absorptionsvolumen 112 zur Absorption von Photonen 108, wobei das Absorptionsvolumen 112 an einer Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 bzw. parallel zu der Oberfläche 105 eine Photoneneintrittsfläche 106 aufweist. Die Elektroden 102 und 104 sind ausgebildet, um, bei Anliegen einer Sperrspannung, ein elektrisches Feld 110 in einem aktiven Gebiet (z.B. in dem Absorptionsvolumen 112) zwischen den Elektroden 102 und 104 zu erzeugen, wobei das elektrische Feld 110 parallel zu der Photoneneintrittsfläche 106 bzw. der Oberfläche 105 der Fotodiode 100 verläuft.
Wie in Fig. 2a zu erkennen ist, sind die Elektroden 102 und 104 im Wesentlichen orthogonal (z.B. in einem Winkel von 90° oder in einem Winkel von 70° bis 110°) zu der Photoneneintrittsfläche 106 bzw. Oberfläche 105 der Fotodiode 100 angeordnet. Die Elektroden 102 und 104 erstrecken sich also ausgehend von der Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 der Fotodiode 100 im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche 105 in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats 101.
Fig. 2b zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Fotodiode 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Verglichen mit Fig. 2a ist in Fig. 2b ferner ein beispielhafter Diodenschichtaufbau 128 der Fotodiode 100 gezeigt. Wie in Fig. 2b zu erkennen ist, können die Schichten 120, 122, 124, 126 des Diodenschichtaufbaus 128 im Wesentlichen orthogonal zu der Photoneneintrittsfläche 106 bzw. Oberfläche 105 der Fotodiode 100 angeordnet sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtaufbau 128 der Fotodiode 100 folgende
Schichten aufweisen: eine p+ dotierte Schicht 120, eine intrinsische oder p- dotierte Schicht 122, eine p dotierte Schicht 124, und eine n+ dotierte Schicht 126.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtaufbau 128 der Fotodiode 100 folgende
Schichten aufweisen: eine n+ dotierte Schicht, eine intrinsische oder m dotierte Schicht, eine n dotierte Schicht, und eine p+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtaufbau 128 der Fotodiode 100 folgende
Schichten aufweisen: eine n+ dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine p dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine p+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtaufbau 128 der Fotodiode 100 folgende
Schichten aufweisen: eine p+ dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine n dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine n+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Fotodiode eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher sein.
Im Folgenden werden detaillierte Ausführungsbeispiele der Fotodiode 100 näher beschrieben.
Fig. 3 zeigt einen Vergleich zwischen einer herkömmlichen, vertikalen Lawinenfotodiode 10 und einer orthogonalen Lawinenfotodiode 100 (Lawinenfotodiode mit orthogonalem Aufbau) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Im Detail zeigt Fig. 3a eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen Lawinenfotodiode 10. Wie in Fig. 3a zu erkennen ist, handelt es sich um eine planare Lawinenfotodiode mir einem vertikalem Aufbau, bei dem Anode 12 und Kathode 14 vertikal angeordnet, so dass bei Anliegen einer Sperrspannung ein elektrisches Feld 16 zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 erzeugt wird, das orthogonal zu einer Photoneneintrittsfläche 18 der Fotodiode 10 bzw. parallel zur Absorptionsrichtung der Photonen 20 verläuft. Demensprechend verlaufen auch die Schichten (p+, p- oder i, p, n+) des Diodenschichtaufbaus der herkömmlichen Fotodiode 10 parallel zu der Photoneneintrittsfläche 18 der Fotodiode.
Fig. 3b zeigt hingegen eine schematische Querschnittsansicht einer Lawinenfotodiode 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Mit anderen Worten, Fig. 3b zeigt ein Konzept einer dreidimensionalen orthogonalen Lawinenfotodiode. Ausgehend von den Ausnehmungen im Substrat kann mittels Dotierstoffen das tiefreichende aktive Gebiet erzeugt werden. Wie in Fig. 3b zu erkennen ist, weist die Fotodiode 100 einen orthogonalen Aufbau auf, bei dem die Anode 102 und die Kathode 104 orthogonal angeordnet sind, so dass bei Anliegen einer Sperrspannung ein elektrisches Feld 110 zwischen der Anode 102 und der Kathode 104 erzeugt wird, das parallel zu einer Photoneneintrittsfläche 106 der Fotodiode 100 bzw. orthogonal zur Absorptionsrichtung der Photonen 108 verläuft. Die Schichten (p+, p- oder i, p, n+) des Diodenschichtaufbaus der Fotodiode verlaufen dementsprechend auch orthogonal zu der Photoneneintrittsfläche 106.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, die Abhängigkeit zwischen Absorptionsvermögen und hoher Betriebsspannung zu vermeiden, da elektrisches Feld und Lichteinfall (optische Absorption) orthogonal zueinander verlaufen. Das elektrische Feld bzw. die Betriebsspannung der Fotodiode wird durch den Abstand von Kathode und Anode vorgegeben. Die Absorption durch die Tiefe des aktiven Gebietes im Silizium. Durch die orthogonale Anordnung können Betriebsspannung und Absorptionstiefe voneinander entkoppelt werden. Die Betriebsspannung kann durch die lateralen Abmessungen angepasst werden.
Vertikale Fotodioden (vgl. Fig. 3a) wie auch orthogonale Fotodioden (vgl. Fig. 3b) benötigen sog. Schutzstrukturen (engl. Guard Structures) 22 bzw. 130, damit die Lawinenmultiplikation bzw. der Durchbruch im Geiger-Modus nur in den dafür vorgesehenen Bereichen stattfindet. Diese Schutzstrukturen 130 können mit bei einer orthogonalen Fotodiode 100 im Verhältnis zur Photoneneintrittsfläche klein gehalten werden.
Die Vermeidung von Durchbrüchen an unerwünschten Orten durch die lokale Verringerung der elektrischen Feldstärke kann durch folgende Maßnahmen erreicht werden (Schutzstrukturen):
• Durch laterale geometrische Maßnahmen, wie z.B. Closed-Cell-Strukturen (rotationssymmetrischer Aufbau).
• Durch Vergrößerung von Radien um Feldspitzen zu vermeiden.
• Durch Verringerung der lokalen Dotierstoffkonzentration und damit Vergrößerung der Raumladungszone.
• Durch Unterdrückung von Strompfaden mit Isolatorschichten.
Ausführungsbeispiele haben den Vorteil, dass sich mit dem orthogonalen Aufbau theoretisch ein nahezu beliebig tiefes Absorptionsvolumen erzeugen lässt, unabhängig von der Auslegung der elektrischen Betriebsspannung.
Ausführungsbeispiele haben den Vorteil, dass bei orthogonalen Fotodioden (im Gegensatz zu vertikalen Fotodioden) die Schutzstrukturen so aufgebaut werden können, dass diese die Photoneneintrittsfläche nicht verringert, indem die Schutzstrukturen beispielsweise am unteren Ende der Elektroden angebracht werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung finden Anwendung in günstigen Bauteilen mit höherer Absorption und höherem Flächenwirkungsgrad zur Verbesserung von Systemen die Lawinenfotodioden oder Silizium-Fotovervielfacher nutzen, wie z.B.:
LIDAR Technologie.
Hochempfindliche Photonenspektroskopie. Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zur Herstellung einer Fotodiode. Das Verfahren 200 umfasst einen Schritt des Bereitstellens 202 eines Halbleitersubstrats. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt 204 des Bereitstellens von zumindest zwei Elektroden in oder auf dem Halbleitersubstrat. Ferner umfasst das Verfahren 200 einen Schritt 206 des Bereitstellens eines Diodenschichtstapels zwischen den zumindest zwei Elektroden wobei Schichten des Diodenschichtstapels im Wesentlichen orthogonal zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrats verlaufen.
Zwei Ausführungsbeispiele des in Fig. 4 gezeigten Verfahrens 200 zur Herstellung einer Fotodiode werden nachfolgend anhand der Fig. 5 und 6 näher erläutert, die schematische Querschnittsansichten der Fotodiode nach unterschiedlichen Schritten des Verfahrens zur Herstellung derselben zeigen.
Fig. 5a zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Bereitstellens des Halbleitersubstrats 101. Das Halbleitersubstrat 101 kann beispielsweise ein Siliziumhalbleitersubstrat sein.
Fig. 5b zeigt eine schematische Ansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bildens, ausgehend von einer Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 105, von zumindest zwei voneinander beabstandeter Ausnehmungen 103 (z.B. Gräben) in dem Halbleitersubstrat 101.
Wie in Fig. 5b zu erkennen ist, können sich die Ausnehmungen 103 in dem Halbleitersubstrat 101 in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats 101 erstrecken, d.h. orthogonal zu der Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101.
Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Ausnehmungen 103 durch Ätzen gebildet werden.
Alternativ können die zumindest zwei Ausnehmungen 103 durch lokales Oxidieren des Halbleitersubstrats und anschließender Entfernung des Oxids, oder durch Aufwachsen durch selektive Abscheidung gebildet werden.
Fig. 5c zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Dotieren des Halbleitersubstrats 101 zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen 103, um einen Diodenschichtstapel 128 zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen 103 zu erhalten. Wie in Fig. 5c zu erkennen ist, können Schichten 120, 122, 124, 126 des Diodenschichtstapels 128 im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 verlaufen.
Es sei hierbei darauf hingewiesen, dass die Schichten 120, 122, 124, 126 in Fig. 5c nur beispielhaft eingezeichnet sind und dass der Diodenschichtstapel 128 auch mit einer anderen Anzahl an Schichten sowie einer anderen Anordnung der Schichten realisiert werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat 101 zumindest teilweise ausgehend von den zumindest zwei Ausnehmungen 103 dotiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat 101 mittels Belegung mit einer dotierstoffhaltigen Schicht durch chemischer Gasphasenabscheidung, oder mittels Dotieren aus der Gasphase dotiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel 128 folgende Schichten aufweisen: eine p+ dotierte Schicht, eine intrinsische oder p- dotierte Schicht, eine p dotierte Schicht, und eine n+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel 128 folgende Schichten aufweisen: eine n+ dotierte Schicht, eine intrinsische oder m dotierte Schicht, eine n dotierte Schicht, und eine p+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel 128 folgende Schichten aufweisen: eine n+ dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine p dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine p+ dotierte Schicht.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Diodenschichtstapel 128 folgende Schichten aufweisen: eine p+ dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine n dotierte Schicht, eine intrinsische Schicht, eine n+ dotierte Schicht.
Fig. 5d zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bereitstellens von zumindest zwei Elektroden 102 und 104 in den zumindest zwei Ausnehmungen.
Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Elektroden durch Bereitstellen und Strukturieren einer Metallisierungsschicht und/oder hoch dotierten Schicht gebildet werden.
Fig. 6a zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Bereitstellens des Halbleitersubstrats 101 und des Aufwachsens einer ersten Schicht 130_1 auf eine Oberfläche des Halbleitersubstrats 101.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat 101 ein Siliziumhalbleitersubstrat sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die erste Schicht 130_1 eine intrinsische Schicht sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die erste Schicht 130_1 durch Epitaxie aufgewachsen werden, so dass die erste Schicht 130_1 eine erste Epitaxie-Schicht sein kann.
Fig. 6b zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des lokalen Dotierens der ersten Schicht 130_1.
Wie in Fig. 6b zu erkennen ist, können durch das lokale Dotieren dotierte Bereiche 140, 142 und 144 in der ersten Schicht 130_1 erhalten werden, wie z.B. ein p+ dotierte Bereich 140, ein p dotierter Bereich 142 und ein n+ dotierter Bereich 144.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Dotieren beispielsweise durch lonen-lmplantation in Verbindung mit Fotolithographie erfolgen.
Fig. 6c zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach dem Schritt des Aufwachsens einer zweiten Schicht 130_2 auf die erste Schicht 130_1 .
Bei Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht 130_2 eine intrinsische Schicht sein. Bei Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht 130_2 durch Epitaxie aufgewachsen werden, so dass die zweite Schicht 130_2 eine zweite Epitaxie-Schicht sein kann.
Fig. 6d zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des lokalen Dotierens der zweiten Schicht 130_2.
Wie in Fig. 6d zu erkennen ist, können durch das lokale Dotieren ebenfalls dotierte Bereiche 140, 142 und 144 in der zweiten Schicht 130_1 erhalten werden, wie z.B. ein p+ dotierte Bereich 140, ein p dotierter Bereich 142 und ein n+ dotierter Bereich 144.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Dotieren beispielsweise durch lonen-lmplantation in Verbindung mit Fotolithographie erfolgen.
Fig. 6e zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nachdem mehrere Schichten 130 auf das Halbleitersubstrat 101 aufgewachsen wurden und Kontakte 146 und 148 auf den dotierten Bereichen 140 und 144 bereitgestellt wurden, wie z.B. ein Kontakt 146 für eine Anode und ein Kontakt 148 für eine Kathode.
Optional kann noch eine Schutzschicht 129, wie z.B. eine Oxidschicht (z.B. SiO2) auf den aufgewachsenen Schichten vorgesehenen sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Fotodiode eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Fotodiode 100, wie dies oben bereits erwähnt wurde (vgl. z.B. Fig. 3b), zumindest eine Schutzstruktur 130 (z.B. Guard-Struktur) aufweisen, die in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats der Fotodiode 100 unterhalb zumindest einer der zumindest zwei Elektroden angeordnet ist, z.B. um das elektrische Feld im Bereich des Absorptionsvolumens zu konzentrieren bzw. in Randbereichen zu reduzieren. Im Folgenden werden detaillierte Ausführungsbeispiele einer Fotodiode 100 mit einer solchen Schutzstruktur 130 näher beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung der Fotodiode 100 bzw. der Schutzstruktur 130 ist hierbei natürlich genauso auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Fotodiode 100 anwendbar. Fig. 7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Fotodiode 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Fotodiode 100 umfasst ein Halbleitersubstrat 101 , zwei in dem Halbleitersubstrat 101 gebildete Elektroden 102 und 104 (z.B. Anode 102 und Kathode 104), ein Absorptionsvolumen 112 zur Absorption von Photonen zwischen den zwei Elektroden 102 und 104, sowie einen Diodenschichtstapel 128 zwischen den zwei Elektroden 102 und 104, wobei Schichten 120, 122, 124 und 126 des Diodenschichtstapels 128 im Bereich des Absorptionsvolumens 112 im Wesentlichen orthogonal zu einer Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 bzw. einer Photoneneintrittsfläche 106 der Fotodiode 100 verlaufen (laterale Lawinenfotodiode bzw. laterale Avalanchefotodiode).
Hierdurch wird, wie dies oben bereits ausführlich erläutert wurde, beim Anliegen einer Sperrspannung zwischen den zwei Elektroden 102 und 104 ein elektrisches Feld zwischen den zwei Elektroden 102 und 104 erzeugt, das parallel zu der Photoneneintrittsfläche 106 der Fotodiode 100 bzw. der Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 verläuft.
Der Diodenschichtstapel 128 kann, wie dies beispielhaft in Fig. 7 gezeigt ist, eine p+ dotierte Schicht 120, eine intrinsische oder p- dotierte Schicht 122, eine p dotierte Schicht 124 und eine n+ dotierte Schicht 126 aufweisen. Alternativ kann der Diodenschichtstapel 128 natürlich auch eine n+ dotierte Schicht 120, eine intrinsische oder n- dotierte Schicht 122, eine n dotierte Schicht 124 und eine p+ dotierte Schicht aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat 101 ein durchgehendes Halbleitersubstrat, wie z.B. ein durchgehendes Siliziumhalbleitersubstrat, sein. Die Fotodiode 100 kann hierbei in diesem durchgehenden Halbleitersubstrat 101 gebildet sein. Bei Ausführungsbeispielen ist daher kein SOI-Substrat (SOI = Silicon on Insulator) erforderlich, wie dies z.B. bei [3] der Fall ist.
Bei Ausführungsbeispielen können sich die zwei Elektroden 102 und 104 ausgehend von der Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 zumindest bis zu einer Tiefe von 5pm (z.B. 10 pm bis 20 pm, oder 10 pm bis 30 pm) in das Halbleitersubstrat 101 erstrecken.
Die zwei Elektroden 102 und 104 können hierbei in dem Halbleitersubstrat 101 in zwei voneinander beabstandeten Gräben (engl. Trenches) gebildet sein. Vor dem Verfüllen der zwei Gräben mit Elektrodenmaterial (z.B. einer Metallisierungsschicht oder einer hoch dotierten Schicht) können die Schichten 120, 124 und 126 des Diodenschichtstapels 128 mittels Belegen der Wände der zwei Gräben mit jeweiligen Dotierstoffen und Ausdiffundieren derselben erzeugt werden, wodurch sich die in Fig. 7 gezeigten Formen der Schichten 120, 124 und 126 um die jeweiligen Gräben bzw. Elektroden 102 und 104 herum ergeben.
Aus geometrischen Gründen entsteht am unteren Ende von einem der mit leitfähigen Material gefüllten Gräben, wie z.B. des Grabens, welcher die Elektrode 104 in Fig. 7 bildet (Kathode), eine Feldüberhöhung, die die Durchbruchspannung dort senkt. Die Durchbruchspannung kann durch die Schutzstruktur 130 (z.B. Guard-Struktur) deutlich erhöht werden, so dass diese über der gewünschten bzw. erforderlichen lateralen Durchbruchspannung liegt.
Bei Ausführungsbeispielen wird daher unterhalb zumindest einer der zwei Elektroden 102 und 104, wie z.B. unterhalb der Elektrode 104 in Fig. 7 (Kathode), eine Schutzstruktur 130 (z.B. Guard-Struktur) gebildet.
Bei Ausführungsbeispielen kann diese Schutzstruktur 130 durch eine Verringerung der Dotierstoffkonzentration von Avalanche-Zone 124 und Kathode 104 am unteren Ende des Grabens erzeugt werden.
Alternativ kann diese Schutzstruktur 130 bei Ausführungsbeispielen durch eine geeignete Vergrößerung des Elektrodenradius am unteren Ende des Grabens erzeugt werden. Dies kann zum Beispiel durch eine kugelförmige Erweiterung bei der Grabenätzung erreicht werden. Dadurch kann diese Durchbruchspannung unabhängig von der lateralen Durchbruchspannung eingestellt werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann eine laterale Ausdehnung der Schutzstruktur 130 (z.B. in lateraler Richtung des Halbleitersubstrats bzw. parallel zur Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats) das Zwei- bis Fünffache einer lateralen Ausdehnung (z.B. Durchmesser) des entsprechenden Grabens bzw. der entsprechenden Elektrode betragen.
Bei Ausführungsbeispielen kann eine Ausdehnung der Schutzstruktur 130 in lateraler Richtung und/oder in Tiefenrichtung beschränkt sein, z.B. auf das das Zwei- bis Fünffache einer lateralen Ausdehnung (z.B. Durchmesser) des entsprechenden Grabens bzw. der entsprechenden Elektrode.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Schutzstruktur 130 kugelförmig, würfelförmig oder quaderförmig jeweils mit stark abgerundeten Ecken sein. Wird die entsprechende Elektrode (z.B. Kathode) als (im Wesentlichen) kreisrunder Stab oder geschlossener rotationssymmetrischer Kurvenzug ausgebildet, sind seitliche Schutzstrukturen unnötig. Beispielsweise kann die entsprechende Elektrode (z.B. Kathode) im Zentrum der Zelle oder als Rahmen der Zelle angeordnet sein.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Fotodiode 101 mit einer solchen Schutzstruktur 130 unterhalb zumindest einer der zwei Elektroden anhand der Fig. 8a bis 8c näher beschrieben. Die Fig. 8a bis 8c zeigen hierbei unterschiedliche Zwischenprodukte der Fotodiode 101 während der Herstellung derselben. Hierbei wird beispielhaft die Herstellung einer kugelförmigen Schutzstruktur 130 gezeigt. Die nachfolgende Beschreibung ist jedoch in entsprechender Weise auch auf andere Schutzstrukturen anwendbar.
Fig. 8a zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bildens der Schicht 124 (Avalancheschicht / Avalanchezone) des Diodenschichtstapels. Hierzu wird zunächst ein Halbleitersubstrat 101 , wie z.B. ein Siliziumhalbleitersubstrat, bereitgestellt. Auf einer Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 wird eine erste Oxidschicht 150 aufgebracht und ein erster Graben 103_1 (engl. Trench) in dem Halbleitersubstrat 101 gebildet, z.B. ausgehend von der Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats (z.B. senkrecht zur Oberfläche 105), beispielsweise bis zu einer Tiefe von zumindest 5 pm (z.B. 10 pm bis 20 pm, oder 10 pm bis 30 pm). Der erste Graben 103_1 kann hierbei beispielsweise eine laterale Ausdehnung (z.B. Durchmesser) von 0,5 pm bis 2 pm haben. Anschließend kann die Wand des ersten Grabens 103_1 mit einem Dotierstoff belegt werden, wie z.B. einem p Dotierstoff, und durch Ausdiffundieren des Dotierstoffs die Schicht 124 (Avalancheschicht / Avalanchezone) gebildet. Der laterale Diffusionsgradient ist hierbei tiefenunabhängig.
Fig. 8b zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach einem Schritt des Bildens einer ersten Elektrode 104 (z.B. Katode) sowie einer Schutzstruktur 130 unterhalb der ersten Elektrode 104. Hierzu wird an einem unteren Ende des ersten Grabens 103_1 eine kugelförmige Ausnehmung 131 geätzt, beispielsweise durch eine isotrope Ätzung (z.B. isotrope Kugelätzung). Optional kann zuvor der erste Graben 103_1 in Tiefenrichtung verlängert werden, beispielsweise durch eine anisotrope Ätzung (z.B. anisotrope Grabenvertiefung). Anschließend kann eine Polysiliziumschicht 126, wie z.B. eine n+ Polysiliziumschicht, auf die Wände des ersten Grabens 103_1 und der kugelförmigen Ausnehmen 131 abgeschieden werden, wobei Ionen (z.B. n+ Ionen) aus der Polysiliziumschicht 126 in die Schicht 124 (Avalancheschicht / Avalanchezone) und unterhalb der Schicht 124 in das Halbleitersubstrat 101 ausdiffundieren. Ein auf der ersten Oxidschicht 150 abgeschiedener Teil der Polysiliziumschicht 126 kann strukturiert werden, z.B. um eine laterale Ausdehnung der Polysiliziumschicht 126 auf der ersten Oxidschicht 150 zu begrenzen. Durch aufbringen einer zweiten Oxidschicht 152 kann der erste Graben 130_1 gefüllt / verschlossen werden. Die Polysiliziumschicht 124 kann hierbei die erste Elektrode 104 (z.B. Kathode) der Fotodiode 100 bilden.
Fig. 8c zeigt eine schematische Querschnittansicht der Fotodiode 100 während der Herstellung derselben nach dem Herstellen der Schicht 120 des Diodenschichtstapels, einer zweiten Elektrode 102 sowie der Kontaktierung der ersten und zweiten Elektroden 102 und 104. Hierzu kann zunächst ein zweiter Graben 103_2 (engl. Trench) in dem Halbleitersubstrat 101 gebildet werden, z.B. ausgehend von der Oberfläche 105 des Halbleitersubstrats 101 in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats (z.B. senkrecht zur Oberfläche 105), beispielsweise bis zu einer Tiefe von zumindest 5 pm (z.B. 10pm bis 20pm, oder 10pm bis 30 pm). Der zweite Graben 103_2 kann hierbei beispielsweise eine laterale Ausdehnung (z.B. Durchmesser) von 0,5 pm bis 2 pm haben. Anschließend kann die Wand des zweiten Grabens 103_2 mit einem Dotierstoff belegt werden, wie z.B. einem p Dotierstoff, und durch Ausdiffundieren des Dotierstoffs die Schicht 120 des Diodenschichtstapels gebildet werden, bei der es sich z.B. um eine p+ dotierte Schicht handeln kann. Der laterale Diffusionsgradient ist hierbei tiefenunabhängig. Der zweite Graben 103_2 kann anschließend mit einer Elektrodenschicht 156, wie z.B. Wolfram oder p+ Polysilizium, gefüllt werden. Ein auf der zweiten Oxidschicht 152 abgeschiedener Teil der Elektrodenschicht 156 kann strukturiert werden, z.B. um eine laterale Ausdehnung der Elektrodenschicht 156 auf der zweiten Oxidschicht 152 zu begrenzen. Anschließend kann eine dritte Oxidschicht 154 abgeschieden werden, um den zweiten Graben 103_2 zu verschließen. Durch die jeweiligen Oxidschichten 152, 154 können Kontaktlöcher zum Kontaktieren der jeweiligen Elektrodenschichten 156 und 126 gebildet werden und eine Metallschicht 160 abgeschieden werden, um die jeweiligen Elektrodenschichten 156 und 126 zu kontaktieren. Die Metallschicht 160 kann anschließend strukturiert werden, um Kontaktanschlüsse (z.B. Bondanschlüsse) 162 und 164 zu erhalten.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen es eine orthogonale APD (APD = Avalanche Phodo Diode, dt. Lawinenfotodiode) mit Tiefen von 10 pm und deutlich mehr erzeugen. Die Durchbruchspannung und somit der APD-Verstärkungsfaktor ist bei Ausführungsbeispielen tiefenunabhängig. Dies wird durch folgende Maßnahmen erreicht. Zuerst Grabenätzung und dann Belegung der Grabenseitenwand mit Dotierstoffen (z.B. Belegung aus der Gasphase: CVD, Epitaxie, dotierte Oxide etc.) Danach laterale Diffusion der Dotierstoffe zur Erzeugung der „Avalancheschicht“ (in Fig. 8a-8c mit Bezugszeichen 124 gekennzeichnet).
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Literaturverzeichnis [1] S. M. Sze und M. K. Lee, Semiconductor Devices - Physics and Technology, 3. Edition
Hrsg., John Wiley & Sons, 2012.
[2] S. M. Sze und Kwok K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, 2007, pp. 102 - 114, 691.
[3] US 2014/0312449 A1

Claims

24 Patentansprüche
1. Fotodiode (100), mit folgenden Merkmalen: zwei Elektroden (102, 104), und einem Absorptionsvolumen (112) zur Absorption von Photonen (106), wobei das Absorptionsvolumen (112) eine Photoneneintrittsfläche (106) aufweist, wobei die zwei Elektroden (102, 104) ausgebildet sind, um, beim Anlegen einer Sperrspannung, ein elektrisches Feld (110) in einem aktiven Gebiet zwischen den zwei Elektroden (102, 104) zu erzeugen, wobei das elektrische Feld (110) parallel zu der Photoneneintrittsfläche (106) verläuft, wobei sich die zwei Elektroden (102, 104) ausgehend von einer Oberfläche (105) eines Halbleitersubstrats (101) der Fotodiode (100) im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche (105) in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats (101) erstrecken, wobei die Fotodiode (100) zumindest eine in dem Halbleitersubstrat (101) gebildete Schutzstruktur (130) aufweist, die unterhalb zumindest einer der zumindest zwei Elektroden (102, 104) angeordnet ist.
2. Fotodiode (100) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die zumindest eine Schutzstruktur (130) in lateraler Richtung und in Tiefrichtung von dem Halbleitersubstrat (101) umschlossen ist.
3. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine laterale Ausdehnung der zumindest einen Schutzstruktur (130) das Zweibis Fünffache einer lateralen Ausdehnung der entsprechenden Elektrode beträgt.
4. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Schutzstruktur (130) kugelförmig, würfelförmig oder quaderförmig jeweils mit stark abgerundeten Ecken und Kanten ist. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat ein durchgehendes Silizium Halbleitersubstrat ist. Fotodiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zwei Elektroden (102, 104) im Wesentlichen orthogonal zu der Photoneneintrittsfläche (106) verlaufen. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die zwei Elektroden (102, 104) in Tiefenrichtung ausgehend von der Oberfläche (105) des Halbleitersubstrats (101) bis zu einer Tiefe von zumindest 5 pm in das Halbleitersubstrat (101) erstrecken. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Absorptionsvolumen (112) zwischen den zwei Elektroden (102, 104) angeordnet ist. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Schichten (120, 122, 124, 126) eines Diodenschichtstapels (128) zwischen den zwei Elektroden (102, 104) im Wesentlichen orthogonal zu der Photoneneintrittsfläche (106) verlaufen. Fotodiode (100) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der Diodenschichtstapel (128) folgende Schichten aufweist: eine p+ dotierte Schicht, eine intrinsische oder p- dotierte Schicht, eine p dotierte Schicht, und eine n+ dotierte Schicht, oder wobei der Diodenschichtstapel (128) folgende Schichten aufweist: eine n+ dotierte Schicht, eine intrinsische oder n_ dotierte Schicht, eine n dotierte Schicht, und eine p+ dotierte Schicht. Fotodiode (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fotodiode (100) eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher ist. Verfahren (200) zur Herstellung einer Fotodiode (100), wobei das Verfahren (200) aufweist:
Bereitstellen (202) eines Halbleitersubstrats (101),
Bereitstellen (204) von zumindest zwei Elektroden (102, 104) in oder auf dem Halbleitersubstrat (101), wobei sich die zwei Elektroden (102, 104) ausgehend von einer Oberfläche (105) eines Halbleitersubstrats (101) der Fotodiode (100) im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche (105) in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats (101) erstrecken,
Bereitstellen (206) eines Diodenschichtstapels (128) zwischen den zumindest zwei Elektroden (102, 104) wobei Schichten (120, 122, 124, 126) des Diodenschichtstapels (128) im Wesentlichen orthogonal zu einer Oberfläche (105) des Halbleitersubstrats (101) verlaufen,
Bilden in dem Halbleitersubstrat (101) zumindest einer Schutzstruktur (130) unter zumindest einer der zumindest zwei Elektroden (102, 104). Verfahren (200) nach Anspruch 12, wobei die zumindest zwei Elektroden (102, 104), die Schutzstruktur (130) und der Diodenschichtstapel in dem Halbleitersubstrat (101) bereitgestellt werden, durch 27
Bilden, ausgehend von der Oberfläche (105) des Halbleitersubstrats (101), von zumindest zwei voneinander beabstandeter Ausnehmungen (103) in dem Halbleitersubstrat (101),
Bilden einer Schutzstruktur-Ausnehmung (131) unterhalb einer der zumindest zwei Elektroden (102, 104),
Dotieren des Halbleitersubstrats (101) zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen (103) ausgehend von den zumindest zwei Ausnehmungen und teilweise ausgehend von der Schutzstruktur-Ausnehmung (131), um die Schutzstruktur (130) und den Diodenschichtstapel (128) zwischen den zumindest zwei Ausnehmungen (103) zu erhalten, wobei Schichten des Diodenschichtstapels (128) im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche (105) des Halbleitersubstrats (101) verlaufen,
Bereitstellen der zumindest zwei Elektroden (102, 104) in den zumindest zwei Ausnehmungen (103). Verfahren (200) nach Anspruch 13, wobei die zumindest zwei Ausnehmungen (103) durch Ätzen, oder durch lokales Oxidieren des Halbleitersubstrats (101) und anschließender Entfernung des Oxids, oder durch Aufwachsen durch selektive Abscheidung gebildet werden. Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei das Halbleitersubstrat (101) mittels Belegung mit einer dotierstoffhaltigen Schicht durch chemischer Gasphasenabscheidung, oder mittels Dotieren aus der Gasphase dotiert wird. Verfahren (200) nach Anspruch 12, wobei die zumindest zwei Elektroden (102, 104) und der Diodenschichtstapel (128) auf dem Halbleitersubstrat (101) bereitgestellt werden, durch schichtweises Aufwachsen der zumindest zwei Elektroden (102, 104), und schichtweises Aufwachsen und lokales Dotieren des Diodenschichtstapels (128). 28 Verfahren (200) nach Anspruch 15, wobei der Diodenschichtstapel (128) durch lonen-lmplantation in Verbindung mit Fotolithographie dotiert wird. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Diodenschichtstapel (128) folgende Schichten aufweist: eine p+ dotierte Schicht, eine intrinsische oder p- dotierte Schicht, eine p dotierte Schicht, und eine n+ dotierte Schicht, oder wobei der Diodenschichtstapel (128) folgende Schichten aufweist: eine n+ dotierte Schicht, eine intrinsische oder m dotierte Schicht, eine n dotierte Schicht, und eine p+ dotierte Schicht. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Elektroden (102, 104) durch Bereitstellen und Strukturieren einer Metallisierungsschicht und/oder hoch dotierten Schicht gebildet werden. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fotodiode (100) eine Lawinenfotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher ist.
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