WO2022253733A1 - Photonendetektionselement, verfahren zum betrieb eines photonendetektionselements, und verfahren zur herstellung eines bildsensors - Google Patents

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WO2022253733A1
WO2022253733A1 PCT/EP2022/064544 EP2022064544W WO2022253733A1 WO 2022253733 A1 WO2022253733 A1 WO 2022253733A1 EP 2022064544 W EP2022064544 W EP 2022064544W WO 2022253733 A1 WO2022253733 A1 WO 2022253733A1
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WO
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detection element
photon detection
layer
diode structure
diode
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/064544
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French (fr)
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Bhaskar CHOUBEY
Soumya Shatakshi PANDA
Peter Haring-Bolivar
Andreas Bablich
Lakki Reddy Venkata Bharath REDDY
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Universität Siegen
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Publication date
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    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14665—Imagers using a photoconductor layer
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    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14692—Thin film technologies, e.g. amorphous, poly, micro- or nanocrystalline silicon

Definitions

  • the invention relates to a photon detection element which can be configured in particular in the manner of a single photon avalanche diode (single photon avalanche diode, or SPAD for short) and set up to detect weak light. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a photon detection element, an image sensor with a multiplicity of such photon detection elements and a method for producing such an image sensor.
  • SPADs are based on silicon CMOS technology. These have a low optical efficiency. In addition, these SPADs are usually operated at voltages around 15 V. This is significantly higher than the voltages otherwise used on the same chip and leads to high energy consumption. In addition, complex evaluation electronics are required. Known SPADs are also unreliable due to the high voltage required, because even weak noise can lead to local diode breakdown.
  • SPADs are known which have a diode and an evaluation circuit arranged next to it.
  • SPADs have low efficiency because the optically sensitive area is reduced by the evaluation circuit.
  • a photon detection element which comprises:
  • diode structure made of amorphous silicon, which has layers in the manner of a PIN diode, which are formed perpendicularly to a stacking direction,
  • a readout structure comprising a substrate with a plurality of transistors and a contacting area, the contacting area being arranged in the stacking direction between the substrate and the diode structure, the transistors being connected to one another and to the diode structure via the contacting area such that the readout structure is set up to output an electrical signal as a function of photons incident on the diode structure.
  • the photon detection element is an electronic component, in particular a semiconductor component.
  • the photon detection element is preferably set up to
  • the photon detection element is preferably in the form of a single photon avalanche diode (engl. Single Photon Avalanche Diode, SPAD for short). In that case the photon detection element can also be used as a single photon avalanche diode element are referred to.
  • SPAD operates in reverse bias in the so-called avalanche region, where the electric field strength is high.
  • the photon detection element can be used alone or can represent a pixel of an image sensor. In the latter case, the photon detection element can contribute to detecting the incident light in a spatially resolved manner and presenting it as an image.
  • the photon detection element has a diode structure and a readout structure.
  • the diode structure is designed to detect photons.
  • the readout structure is set up and connected to the diode structure in such a way that the readout structure can generate an electrical signal that contains information about photons detected with the diode structure. So if a photon falls on the diode structure, this generates an electrical current that is picked up by the readout structure and converted into a signal.
  • the signal can be processed further, for example by assembling the respective signals from a large number of pixels to form an image.
  • the photon detection element is preferably constructed as a layered structure. This can be described using a stacking direction, which is perpendicular to the individual layers.
  • the contacting area follows first in the stacking direction.
  • the contacting area is preferably in contact with the substrate.
  • the diode structure follows the contact area in the stacking direction.
  • the diode structure is preferably in contact with the rich area.
  • the contacting region is arranged between the substrate and the diode structure.
  • the contacting region is preferably in contact with the diode structure and/or with the substrate.
  • the diode structure has layers formed perpendicular to the stacking direction.
  • the diode structure preferably has an optically sensitive area, which is preferably formed perpendicularly to the stacking direction.
  • the optically sensitive surface preferably delimits the diode structure on its side facing away from the readout structure.
  • Photons that impinge on the diode structure can be detected with the photon detection element.
  • the diode structure is arranged on a side of the photodetection element, which can be referred to as a top side. This refers to the stacking direction, which can be considered bottom-up.
  • the substrate is correspondingly arranged on a bottom side of the photon detection element.
  • the diode structure can be referred to as being placed on top of the readout structure.
  • the optically sensitive surface extends over the entire cross section of the photon detection element when viewed transversely to the stacking direction. The optically sensitive area is therefore not reduced by the readout structure.
  • the diode structure is made of amorphous silicon in the manner of a PIN diode.
  • the diode structure has a layer of p-doped silicon (“p-layer”), a layer of undoped, ie intrinsic silicon (“i-layer”) and a layer of n-doped silicon (“h-layer”)
  • p-layer p-doped silicon
  • i-layer a layer of undoped, ie intrinsic silicon
  • h-layer n-doped silicon
  • the i-layer is located between the n-layer and the p-layer and is in contact with the n-layer and the p-layer It does not matter whether the p-layer or the n-layer is on the readout structure
  • the PIN diode can also be referred to as an NIP diode.
  • amorphous silicon helps to overcome the problems existing in the prior art. This applies in particular to te PN diodes made of crystalline silicon, which have to be operated at high voltages.
  • the diode structure of the described photon detection element can be operated at a lower voltage than known PN diodes in crystalline silicon.
  • the readout structure has a substrate with a multiplicity of transistors and a contacting region.
  • the substrate is preferably made of silicon.
  • the transistors are connected to one another and to the diode structure via the contacting region in such a way that the readout structure is set up to output an electrical signal as a function of photons incident on the diode structure.
  • the transistors are preferably formed by appropriately doped areas in the substrate.
  • the substrate can be p-doped, with the transistors being formed with n-doped regions in the substrate.
  • the transistors are preferably formed on a side of the substrate facing the contacting region.
  • the contact area has metallic conductor tracks that can be arranged in several layers. The number of layers depends on which electrical circuit is used for reading and, in particular, on how many pixels are used together.
  • the metallic conductor tracks are preferably surrounded by a dielectric material and are only connected to the diode structure and/or to the transistors at contact points.
  • the diode structure does not adjoin any other structure perpendicularly to the stacking direction--in particular not the readout structure--no shielding rings are required, as are known from the prior art.
  • the photon detection element is in the form of an integrated chip.
  • An integrated chip can be obtained by lithographic growth. This is in contrast to prior art solutions in which a photodetection element is obtained from two chips by wafer bonding. Such photon detection elements do not represent an integrated chip, but two-chip structures.
  • the diode structure is designed in such a way that it has a breakdown voltage in the range from 2 to 8 V.
  • the photon detection element described in this embodiment manages with a voltage that is lower by a factor of approximately 3 and with a power that is lower by a factor of approximately 9.
  • the layers of the diode structure are a p-layer, an i-layer and an n-layer, the i-layer having a layer thickness in the range from 25 to 75 nm, in particular in the range from 40 to 60 nm.
  • the i-layer is comparatively thin. It has been found that a low breakdown voltage and high reliability can be achieved at the same time.
  • the p-layer has a layer thickness in the range of 10 to 40 nm.
  • the p-layer has a doping in the range of 10 18 cm 3 to 10 20 cm 3 .
  • the i-layer has a doping in the range of 10 14 cm 3 to 10 16 cm 3 .
  • the n-layer has a layer thickness in the range of 20 to 60 nm.
  • the n-layer has a doping in the range of 10 18 cm 3 to 10 20 cm 3 .
  • the contacting region has a connecting layer on its side facing the diode structure, which is connected to the diode structure.
  • connection layer is preferably formed from a metal.
  • a planar contact to the diode structure is formed via the connecting layer, in particular to the layer of the diode structure which is arranged on the side of the diode structure facing the contacting region. This can be the p-layer or the n-layer.
  • the connection layer thus forms a cover layer of the contact area.
  • the diode structure and the connecting layer are connected to one another via a flat contact point. It is sufficient for the contacting area to have a connecting layer. However, it is also conceivable for the contacting region to have a plurality of connecting layers which together fulfill the function of contacting the diode structure. It is sufficient that the connecting layer extends over part of the cross section of the
  • photon detection element This refers to a view perpendicular to the stacking direction.
  • the connecting layer extends across the entire surface of the photon detection element transversely to the stacking direction.
  • connection layer can be used as a lithographic mask in the manufacture of the photon detection element.
  • the substrate is formed from a crystalline semiconductor material.
  • the substrate is particularly preferably formed from crystalline silicon. This material is comparatively readily available and easy to work with.
  • a method for operating a photon detection element configured as described is presented, with an electrical voltage being applied to the diode structure which is 0.1 V to 1 V above the breakdown voltage of the diode structure.
  • the diode structure is operated in the so-called avalanche region. If a photon falls on the diode structure, an avalanche breakdown occurs and a large current is generated. In this way, light of particularly weak intensity can be measured.
  • an image sensor is presented which has a large number of pixels, each of which comprises a photon detection element configured as described, the photon detection elements being arranged next to one another transversely to the stacking direction in such a way that the diode structures together are perpendicular to the stacking direction Form trained sensor surface for incidental photons.
  • the described advantages and features of the photon detection element and the method for its operation can be applied and transferred to the image sensor, and vice versa.
  • the photon detection elements of the image sensor are preferably operated according to the method described above.
  • the image sensor preferably has at least one million pixels. In that case, the image sensor can be referred to as a megapixel image sensor.
  • a method for producing an image sensor designed as described comprises: a) providing a respective readout structure for each of the pixels, b) growing the respective diode structure onto the corresponding readout structure.
  • the readout structures can be provided together by providing a substrate with doped regions in such a way that the transistors can be formed with them.
  • the transistors of all pixels are arranged on a substrate.
  • the contacting areas of the individual pixels can then be applied to the substrate thus provided, in particular lithographically. This can also be done for all pixels at the same time.
  • a substrate with the readout structures can be produced outside of the method and merely made available in step a).
  • the diode structures are grown onto the respective corresponding readout structure.
  • the p-layer is preferably first grown on the contact area of the readout structure, then the i-layer on the p- Layer grown and finally the n-layer grown on the i-layer.
  • the n-layer can be grown first on the contacting area of the readout structure, then the i-layer on the n-layer and finally the p-layer on the i-layer.
  • the diode structures of the pixels can be grown in a common step by sequentially growing the layers of diode structures over the entire image sensor using a lithographic mask to separate the diode structures of the individual pixels.
  • the connecting layers of the contacting areas of the readout structures can be used as a lithography mask.
  • the embodiment of the method is preferred in which the readout structures in step a) are provided with a connecting layer which extends over the entire image sensor.
  • the connection layer is divided in such a way that the connection layers of adjacent pixels are spaced from each other by a respective gap.
  • the layers of the diode structures are grown in such a way that the diode structures of adjacent pixels are electrically separated from one another by the gaps between the connection layers.
  • a connecting layer extending over the entire image sensor is first grown. This can then be divided into the connecting layers of the individual pixels, for example by local etching. This creates gaps between the connecting layers of adjacent Pi xel. If the layers of the diode structure are then grown over the entire image sensor, the material deposited in the process also gets into the gaps between the neighboring pixels. In that regard, separate diode structures are obtained for the individual pixels.
  • the connecting layer is preferably at least twice as thick as the layer of the diode structure lying against the contacting region. This can be the n-layer or the p-layer.
  • the connecting layer can have a layer thickness in the range from 80 to 120 nm, while the layer of the diode structure lying against the contacting region has a layer thickness in the range from 10 to 50 nm.
  • the layer thicknesses are defined along the stacking direction. Due to the different layer thicknesses, the material of the diode structure dips so far into the gaps between the pixels that the diode structures of the neighboring pixels are electrically isolated from one another. This does not require complete separation between the diode structures of adjacent pixels. An electrical separation is sufficient. This is present as soon as the pixels can be operated independently of one another.
  • the readout structures in step a) are provided with a connecting layer which extends over the entire image sensor.
  • the connection layer is divided in such a way that the connection layers of adjacent pixels are spaced from each other by a respective gap.
  • a dielectric material is introduced between the adjacent pixels in such a way that the dielectric material protrudes beyond the surface of the readout structure.
  • the layers of the diode structures are grown in such a way that the diode structures of adjacent pixels are electrically isolated from one another by the dielectric material.
  • the material of the diode structures does not dip into the gaps here, but is deformed in the opposite direction by the dielectric material, ie away from the surface of the readout structure. This also leads to an electrical separation of the diode structures of neighboring pixels. Here, too, there is electrical separation as soon as the pixels can be operated independently of one another.
  • the dielectric material preferably protrudes by 80 to 120 nm over the surface of the readout structures, while the layer of the diode structure lying against the contacting region has a layer thickness in the range from 10 to 50 nm.
  • step b) stands in particular in contrast to a method in which the diode structure is manufactured as a separate element and is applied to the readout structure, for example by wafer bonding.
  • Methods of this type lead to two-chip structures which differ from a photon detection element designed as an integrated chip. Even if the design of the photon detection element as an inte- grated chip is preferred, the photon detection element described can also be obtained from two separate chips by means of wafer bonding. Compared to known solutions, this still offers the advantages resulting from the use of amorphous silicon for the diode structure.
  • the invention is explained in more detail below with reference to the figures.
  • the figures show particularly preferred exemplary embodiments to which the invention is not limited.
  • the figures and the proportions shown therein are only schematic. Show it:
  • FIG. 1 a photon detection element according to the invention
  • FIG. 2 characteristic curve of the diode structure of the photon detection element from FIG. 1,
  • a photon detection element 1 which comprises a diode structure 2 made of amorphous silicon and a readout structure 3 .
  • the diode structure 2 is in the form of a PIN diode and has a p-layer 7, an i-layer 8 and an n-layer 9, which are each formed perpendicular to a stacking direction r.
  • the reading structure 3 has a substrate 4 with a plurality of transistors 5 and a contact area 6 .
  • the contacting region 6 is arranged between the substrate 4 and the diode structure 2 in the stacking direction r.
  • the transistors 5 are connected to one another and to the diode structure 2 via the contacting region 6 in such a way that the readout structure 3 is set up to output an electrical signal as a function of photons incident on the diode structure 2 .
  • the contacting area 6 includes a connecting layer 10, via which the diode structure 2 is connected.
  • the contacting area 6 comprises metallic conductor tracks 14 which are separated from one another by a dielectric material 13 .
  • FIG. 2 shows a diode characteristic of the diode structure 2 from FIG. 1.
  • the current I is plotted against the voltage V.
  • the diode structure 2 is preferably operated above the breakdown voltage V br .
  • FIG 3 shows a first embodiment of an image sensor 11 according to the invention.
  • Two pixels 12 of the image sensor 11 are shown as an example.
  • the pixels 12 each include a photon detection element 1 configured as in FIG became.
  • the material of the diode structures 2 can thus dip into a gap 15 between the connection layers 10, as a result of which the diode structures 2 are electrically isolated from one another.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of an image sensor 11 according to the invention.
  • the material of the diode structures 2 does not dip into the gaps 15 between the connecting layers 10 here. Instead, dielectric material 13 protrudes over the surface of the readout structure 3, as a result of which the material of the diode structures 2 is curved upwards.
  • the diode structures ren 2 of the two pixels 12 are electrically isolated from one another.

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Abstract

Photonendetektionselement (1), umfassend - eine Diodenstruktur (2) aus amorphem Silizium, welche nach Art einer PIN-Diode Schichten (7, 8, 9) aufweist, die senkrecht zu einer Stapelrichtung (r) ausgebildet sind, - eine Auslesestruktur (3), welche ein Substrat (4) mit einer Vielzahl von Transistoren (5) und einen Kontaktierungsbereich (6) umfasst, wobei der Kontaktierungsbereich (6) in der Stapelrichtung (r) zwischen dem Substrat (4) und der Diodenstruktur (2) angeordnet ist, wobei die Transistoren (5) derart über den Kontaktierungsbereich (6) miteinander und mit der Diodenstruktur (2) verbunden sind, dass die Auslesestruktur (3) zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von auf die Diodenstruktur (2) einfallenden Photonen eingerichtet ist.

Description

PHOTONENDETEKTIONSELEMENT, VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES PHOTONENDETEKTIONSELEMENTS, UND
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BILDSENSORS
Die Erfindung betrifft ein Photonendetektionselement, welches insbesondere nach Art einer Einzelphotonen-Avalanche-Diode (engl. Single Photon Avalanche Dio- de, kurz SPAD) ausgebildet und zur Detektion von schwachem Licht eingerichtet sein kann. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Photo nendetektionselements, einen Bildsensor mit einer Vielzahl solcher Photonendetekti onselemente sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bildsensors.
Es ist bekannt, Licht besonders geringer Intensität mit sogenannten Einzelphoto- nen-Avalanche-Dioden zu detektieren. Entsprechende Detektoren werden beispiels weise eingesetzt im Bereich der Wissenschaft, des Quantencomputings, der Raum fahrt, der 3D-Bildgebung oder der biomedizinischen Bildgebung, beispielsweise bei der Fluoroskopie oder Endoskopie. Bekannte SPADs beruhen auf Silizium-CMOS- Technologie. Diese haben eine geringe optische Effizienz. Zudem werden diese SPADs üblicherweise bei Spannungen um 15 V betrieben. Das liegt deutlich über den im Übrigen auf dem gleichen Chip verwendeten Spannungen und führt zu einem ho hen Energieverbrauch. Zudem wird eine aufwendige Auswerteelektronik benötigt. Auch sind bekannte SPADs aufgrund der hohen erforderlichen Spannung unzuverläs sig, weil auch schwaches Rauschen bereits zu einem lokalem Diodendurchbruch füh- ren kann.
Es sind SPADs bekannt, die eine Diode und eine daneben angeordnete Auswer tungsschaltung aufweisen. Derartige SPADs haben aber eine geringe Effizienz, weil die optisch sensitive Fläche durch die Auswertungsschaltung reduziert ist.
Ein Beispiel eines Strahlungsdetektors mit Schichtaufbau ist bekannt aus Despeis- se, M. [et al.]: Hydrogenated Amorphous Silicon Sensor Deposited on Inegrated Circuit for Radiation Detection. In: IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 55, 2008, S.802- 811. Weiterhin sind sogenannte TFA-Bildsensoren bekannt aus Sterzei, J.: Bestimmung und Modellierung von Detektionsgrenzen bei TFA-Bildsensoren, Dissertation, Universi tät Siegen, 2005.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik eine Möglichkeit zur Detektion von Licht geringer Intensität vorzustellen, bei der eine hohe energetische Effizienz, eine hohe optische Effizienz und eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Photonendetektionselement, einem Ver fahren zum Betrieb eines Photonendetektionselements, einem Bildsensor und einem Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angege ben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
Erfindungsgemäß wird ein Photonendetektionselement vorgestellt, welches umfasst:
- eine Diodenstruktur aus amorphem Silizium, welche nach Art einer PIN-Diode Schichten aufweist, die senkrecht zu einer Stapelrichtung ausgebildet sind,
- eine Auslesestruktur, welche ein Substrat mit einer Vielzahl von Transistoren und einen Kontaktierungsbereich umfasst, wobei der Kontaktierungsbereich in der Sta pelrichtung zwischen dem Substrat und der Diodenstruktur angeordnet ist, wobei die Transistoren derart überden Kontaktierungsbereich miteinander und mit der Diodenstruktur verbunden sind, dass die Auslesestruktur zur Ausgabe eines elektri schen Signals in Abhängigkeit von auf die Diodenstruktur einfallenden Photonen eingerichtet ist.
Das Photonendetektionselement ist ein elektronisches Bauteil, insbesondere ein Halb leiterbauteil. Das Photonendetektionselement ist vorzugsweise dazu eingerichtet,
Licht geringer Intensität zu detektieren, insbesondere einzelne Photonen. Das Photo nendetektionselement ist vorzugsweise nach Art einer Einzelphotonen-Avalanche- Diode (engl. Single Photon Avalanche Diode, kurz SPAD) ausgebildet. In dem Fall kann das Photonendetektionselement auch als ein Einzelphotonen-Avalanche-Dioden- Element bezeichnet werden. Eine SPAD wird in Sperrrichtung vorgespannt in der so genannten Lawinenregion betrieben, in welcher die elektrische Feldstärke hoch ist.
Das Photonendetektionselement kann allein verwendet werden odereinen Pixel eines Bildsensors darstellen. Im letzteren Fall kann das Photonendetektionselement dazu beitragen, das einfallende Licht ortsaufgelöst zu detektieren und als Bild darzu stellen.
Das Photonendetektionselement weist eine Diodenstruktur und eine Ausle sestruktur auf. Die Diodenstruktur ist dazu eingerichtet, Photonen zu erfassen. Die Aus lesestruktur ist derart eingerichtet und an die Diodenstruktur angebunden, dass die Auslesestruktur ein elektrisches Signal erzeugen kann, welches Informationen zu mit der Diodenstruktur erfassten Photonen enthält. Fällt also ein Photon auf die Dioden struktur, erzeugt dies einen elektrischen Strom, welcher mit der Auslesestruktur aufge nommen und in ein Signal umgewandelt wird. Das Signal kann weiterverarbeitet wer den, beispielsweise indem die jeweiligen Signale einer Vielzahl von Pixeln zu einem Bild zusammengesetzt werden.
Das Photonendetektionselement ist vorzugsweise alsein Schichtaufbau ausge bildet. Dieser kann anhand einer Stapelrichtung beschrieben werden, welche jeweils senkrecht zu den einzelnen Schichten steht. Beginnend mit dem Substrat folgt in der Stapelrichtung zuerst der Kontaktierungsbereich. Der Kontaktierungsbereich liegt vor- zugsweise an dem Substrat an. Auf den Kontaktierungsbereich folgt in Stapelrichtung die Diodenstruktur. Die Diodenstruktur liegt vorzugsweise an dem Kontaktierungsbe reich an. So ist der Kontaktierungsbereich bei Betrachtung entlang der Stapelrichtung zwischen dem Substrat und der Diodenstruktur angeordnet. Vorzugsweise steht der Kontaktierungsbereich mit der Diodenstruktur und/oder mit dem Substrat in Kontakt. Die Diodenstruktur weist Schichten auf, die senkrecht zur Stapelrichtung ausgebildet sind. Die Diodenstruktur weist vorzugsweise eine optisch sensitive Fläche auf, welche vorzugsweise senkrecht zur Stapelrichtung ausgebildet ist. Vorzugsweise begrenzt die optisch sensitive Fläche die Diodenstruktur an ihrer von der Auslesestruktur abge wandten Seite. Durch die Anordnung des Kontaktierungsbereichs zwischen der Diodenstruktur und dem Substrat kann der Kontaktierungsbereich die übrige Auslesestruktur vor ein fallendem Licht abschirmen. Dadurch kann die Messgenauigkeit erhöht werden.
Mit dem Photonendetektionselement können Photonen detektiert werden, die auf die Diodenstruktur auftreffen. Die Diodenstruktur ist insoweit an einer Seite des Photo nendetektionselements angeordnet, welche als eine Oberseite bezeichnet werden kann. Dies bezieht sich auf die Stapelrichtung, welche als von unten nach oben gerich tet angesehen werden kann. Das Substrat ist entsprechend auf einer Unterseite des Photonendetektionselements angeordnet. Die Diodenstruktur kann als oben auf der Auslesestruktur angeordnet bezeichnet werden. Durch diese Anordnung erstreckt sich die optische sensitive Fläche über den gesamten Querschnitt des Photonendetekti onselements bei Betrachtung quer zur Stapelrichtung. Die optisch sensitive Fläche wird also nicht durch die Auslesestruktur reduziert. Bei einem Bildsensor mit Pixeln, welche durch wie beschrieben ausgebildete Photonendetektionselemente gebildet sind, kann dies auch damit beschrieben werden, dass ein hoher Füllfaktor erzielt wird. So kann nahezu 100 % des einfallenden Lichts erfasst werden. Durch die beschriebene Anordnung der Diodenstruktur und dadurch, dass die Diodenstruktur aus wohlbe kannten Materialen gebildet ist, wird eine besonders hohe Zuverlässigkeit erreicht. Insbesondere kann ein vorzeitiger Durchbruch verhindert werden. Das ist dadurch möglich, dass ein quasi-einheitliches elektrisches Feld über die Diodenstruktur ange legt werden kann.
Die Diodenstruktur ist aus amorphem Silizium nach Art einer PIN-Diode ausgebil det. Die Diodenstruktur weist eine Schicht aus p-dotiertem Silizium („p-Schicht"), eine Schicht aus undotiertem, also intrinsischem Silizium („i-Schicht") und eine Schicht aus n-dotiertem Silizium (,,h-Schicht") auf. Die i-Schicht ist zwischen der n-Schicht und der p-Schicht angeordnet und steht mit der n-Schicht und der p-Schicht in Kontakt. Es ist unerheblich, ob die p-Schicht oder die n-Schicht auf der der Auslesestruktur zuge wandten Seite der Diodenstruktur angeordnet ist. Je nach Betrachtungsrichtung kann die PIN-Diode auch als eine NIP-Diode bezeichnet werden.
Besonders die Verwendung von amorphem Silizium trägt dazu bei, die beim Stand der Technik bestehenden Probleme zu überwinden. Das betrifft insbesondere bekann- te PN-Dioden aus kristallinem Silizium, welche bei hohen Spannungen betrieben we- ren müssen. Insbesondere kann die Diodenstruktur des beschriebenen Photonende tektionselements bei einer geringeren Spannung betrieben werden als bekannte PN- Dioden in kristallinem Silizium.
Die Auslesestruktur weist ein Substrat mit einer Vielzahl von Transistoren und ei nen Kontaktierungsbereich auf. Das Substrat ist vorzugsweise aus Silizium gebildet. Überden Kontaktierungsbereich sind die Transistoren derart miteinander und mit der Diodenstruktur verbunden, dass die Auslesestruktur zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von auf die Diodenstruktur einfallenden Photonen eingerich tet ist. Die Transistoren sind vorzugsweise durch entsprechend dotierte Bereiche in dem Substrat gebildet. Beispielsweise kann das Substrat p-dotiert sein, wobei die Transistoren mit n-dotierten Bereichen im Substrat gebildet sind. Die Transistoren sind vorzugsweise an einer dem Kontaktierungsbereich zugewandten Seite des Substrats gebildet. Der Kontaktierungsbereich weist metallische Leiterbahnen auf, die in mehre ren Lagen angeordnet sein können. Die Anzahl der Lagen richtet sich danach, welche elektrische Schaltung zum Auslesen verwendet wird und insbesondere danach, wie viele Pixel gemeinsam eingesetzt werden. Die metallischen Leiterbahnen sind vor zugsweise von einem dielektrischen Material umgeben und lediglich an Kontaktstellen an die Diodenstruktur und/oder an die Transistoren angebunden.
Da die Diodenstruktur senkrecht zu der Stapelrichtung an keine andere Struktur angrenzt - insbesondere nicht an die Auslesestruktur - sind keine Abschirmringe er forderlich, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Photonendetektionselement als ein integrierter Chip ausgebildet.
Ein integrierter Chip kann durch lithografisches Wachstum erhalten werden. Dies steht im Gegensatz zu Lösungen aus dem Stand der Technik, bei denen ein Photo nendetektionselement durch Wafer-Bonding aus zwei Chips erhalten wird. Derartige Photonendetektionselemente stellen keinen integrierten Chip dar, sondern Zwei-Chip- Strukturen. In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform des Photonendetektionsele ments ist die Diodenstruktur derart ausgebildet, dass diese eine Durchbruchspannung im Bereich von 2 bis 8 V hat.
Im Vergleich zu bekannten Lösungen kommt das beschriebene Photonendetekti onselement in dieser Ausführungsform mit einer um einen Faktor von etwa 3 geringe ren Spannung und mit einer um einen Faktor von etwa 9 geringeren Leistung aus.
Erfindungsgemäß sind die Schichten der Diodenstruktur eine p-Schicht, eine i- Schicht und eine n-Schicht, wobei die i-Schicht eine Schichtdicke im Bereich von 25 bis 75 nm hat, insbesondere im Bereich von 40 und 60 nm.
Die i-Schicht ist vergleichsweise dünn. Es hat sich herausgestellt, dass damit zu gleich eine geringe Durchbruchspannung und eine hohe Zuverlässigkeit erreicht wer den können.
Zusätzlich sind die folgenden Merkmale bevorzugt, die jeweils einzeln oder in beliebi ger Kombination vorliegen können:
- Die p-Schicht hat eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 40 nm.
- Die p-Schicht hat eine Dotierung im Bereich von 1018 cm 3 bis 1020 cm 3.
- Die i-Schicht hat eine Dotierung im Bereich von 1014cm 3 bis 1016 cm 3.
- Die n-Schicht hat eine Schichtdicke im Bereich von 20 bis 60 nm.
- Die n-Schicht hat eine Dotierung im Bereich von 1018 cm 3 bis 1020 cm 3 .
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform des Photonendetektionsele ments weist der Kontaktierungsbereich an seiner der Diodenstruktur zugewandten Seite eine Verbindungsschicht auf, welche an die Diodenstruktur angebunden ist.
Die Verbindungsschicht ist vorzugsweise aus einem Metall gebildet. Über die Ver bindungsschicht wird ein flächiger Kontakt zur Diodenstruktur ausgebildet, insbeson dere zu der Schicht der Diodenstruktur, welche an der dem Kontaktierungsbereich zugewandten Seite der Diodenstruktur angeordnet ist. Das kann die p-Schicht oder die n-Schicht sein. Die Verbindungsschicht bildet also eine Deckschicht des Kontaktie rungsbereichs. Die Diodenstruktur und die Verbindungsschicht sind über eine flächig ausgebildete Kontaktstelle miteinander verbunden. Es genügt, dass der Kontaktierungsbereich eine Verbindungsschicht aufweist. Denkbar ist es aber auch, dass der Kontaktierungsbereich mehrere Verbindungs schichten aufweist, die gemeinsam die Funktion erfüllen, die Diodenstruktur zu kon taktieren. Es genügt, dass sich die Verbindungsschicht über einen Teil des Querschnitts des
Photonendetektionselements. Das bezieht sich auf eine Betrachtung senkrecht zu der Stapelrichtung.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform des Photonendetektionsele ments erstreckt sich die Verbindungsschicht quer zu der Stapelrichtung vollflächig überdas Photonendetektionselement.
Insbesondere in dieser Ausführungsform kann die Verbindungsschicht bei der Herstellung des Photonendetektionselements als eine lithografische Maske verwendet werden.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform des Photonendetektionsele- ments ist das Substrat aus einem kristallinem Halbleitermaterial gebildet.
Besonders bevorzugt ist das Substrat aus kristallinem Silizium gebildet. Dieses Ma terial ist vergleichsweise leicht verfügbar und leicht zu bearbeiten.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines wie be schrieben ausgebildeten Photonendetektionselements vorgestellt, wobei eine elektri- sehe Spannung an die Diodenstruktur angelegt ist, welche um 0,1 V bis 1 V oberhalb der Durchbruchspannung der Diodenstruktur liegt.
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Photonendetektionselements sind auf das Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
Die Diodenstruktur wird in der sogenannten Lawinen-Region (engl, avalanche re- gion) betrieben. Fällt ein Photon auf die Diodenstruktur, kommt es zu einem Lawinen- Durchbruch und ein großer Strom entsteht. So kann Licht besonders schwacher Inten sität gemessen werden. Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Bildsensor vorgestellt, welcher eine Vielzahl von Pixeln aufweist, die jeweils ein wie beschrieben ausgebildetes Photonen detektionselement umfassen, wobei die Photonendetektionselemente derart quer zu der Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind, dass die Diodenstrukturen zu sammen eine senkrecht zu der Stapelrichtung ausgebildete Sensorfläche für einfal lende Photonen bilden.
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Photonendetektionselements und des Verfahrens zu dessen Betrieb sind auf den Bildsensor anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Vorzugsweise werden die Photonendetektionselemente des Bildsensors nach dem zuvor beschriebenen Verfahren betrieben. Der Bildsensor weist vorzugsweise mindestens eine Million Pixel auf. In dem Fall kann der Bildsensor als ein Megapixel-Bildsensor bezeichnet werden.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines wie beschrieben ausgebildeten Bildsensors vorgestellt, welches umfasst: a) Bereitstellen einer jeweiligen Auslesestruktur für jeden der Pixel, b) Wachsen der jeweiligen Diodenstruktur auf die entsprechende Auslesestruktur.
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Photonendetektionselements und des Verfahrens zu dessen Betrieb sowie des Bildsensors sind auf das Verfahren zur Herstellung des Bildsensors anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
Die Auslesestrukturen können gemeinsam bereitgestellt werden, indem ein Sub strat derart mit dotierten Bereichen versehen wird, dass mit diesen die Transistoren gebildet werden können. Auf einem Substrat werden die Transistoren aller Pixel ange ordnet. Auf das so bereitgestellte Substrat können dann die Kontaktierungsbereiche der einzelnen Pixel aufgebracht werden, insbesondere lithografisch. Auch dies kann für alle Pixel zugleich erfolgen. Alternativ kann ein Substrat mit den Auslesestrukturen außerhalb des Verfahrens hergestellt und in Schritt a) lediglich zur Verfügung gestellt werden.
In Schritt b) werden die Diodenstrukturen auf die jeweils entsprechende Ausle sestruktur gewachsen. Dazu wird vorzugsweise zuerst die p-Schicht auf den Kontaktie rungsbereich der Auslesestruktur gewachsen, anschließend die i-Schicht auf die p- Schicht gewachsen und schließlich die n-Schicht auf die i-Schicht gewachsen. Alter nativ kann zuerst die n-Schicht auf den Kontaktierungsbereich der Auslesestruktur gewachsen werden, anschließend die i-Schicht auf die n-Schicht und schließlich die p- Schicht auf die i-Schicht.
Die Diodenstrukturen der Pixel können in einem gemeinsamen Schritt gewachsen werden, indem die Schichten der Diodenstrukturen nacheinander über den gesamten Bildsensor gewachsen werden, wobei eine Lithografie-Maske verwendet wird, um die Diodenstrukturen der einzelnen Pixel voneinanderzu trennen. Alternativ können die Verbindungsschichten der Kontaktierungsbereiche der Auslesestrukturen als Litho grafie-Maske verwendet werden.
Dazu ist die Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei der die Auslesestruk turen in Schritt a) mit einer Verbindungsschicht bereitgestellt werden, welche sich über den gesamten Bildsensor erstreckt. Vor Schritt b) wird die Verbindungsschicht derart unterteilt, dass die Verbindungsschichten benachbarter Pixel durch eine jewei lige Lücke voneinander beabstandet sind. In Schritt b) werden die Schichten der Dio denstrukturen derart gewachsen, dass die Diodenstrukturen benachbarter Pixel durch die Lücken zwischen den Verbindungsschichten elektrisch voneinander getrennt sind.
In dieser Ausgestaltung wird zunächst eine sich über den gesamten Bildsensor er streckende Verbindungsschicht gewachsen. Diese kann anschließend, beispielsweise durch lokales Ätzen, in die Verbindungsschichten der einzelnen Pixel unterteilt wer den. Dabei entstehen Lücken zwischen den Verbindungsschichten benachbarter Pi xel. Werden anschließend die Schichten der Diodenstruktur überden gesamten Bildsensor gewachsen, gelangt das dabei abgeschiedene Material auch in die Lücken zwischen den benachbarten Pixeln. Insoweit werden voneinander getrennte Dioden strukturen für die einzelnen Pixel erhalten. Vorzugsweise ist die Verbindungsschicht mindestens doppelt so dick wie die an dem Kontaktierungsbereich anliegende Schicht der Diodenstruktur. Dies kann die n-Schicht oder die p-Schicht sein. Beispiels weise kann die Verbindungsschicht eine Schichtdicke im Bereich von 80 bis 120 nm haben, während die an dem Kontaktierungsbereich anliegende Schicht der Dioden struktur eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 50 nm hat. Die Schichtdicken sind entlang der Stapelrichtung definiert. Durch die unterschiedlichen Schichtdicken taucht das Material der Diodenstruktur so weit in die Lücken zwischen den Pixeln ein, dass die Diodenstrukturen der benachbarten Pixel elektrisch voneinander getrennt werden. Das erfordert keine vollständige Trennung zwischen den Diodenstrukturen benachbarter Pixel. Es genügt eine elektrische Trennung. Diese liegt vor, sobald die Pixel unabhängig voneinander betrieben werden können.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Aus lesestrukturen in Schritt a) mit einer Verbindungsschicht bereitgestellt, welche sich über den gesamten Bildsensor erstreckt. Vor Schritt b) wird die Verbindungsschicht derart unterteilt, dass die Verbindungsschichten benachbarter Pixel durch eine jewei lige Lücke voneinander beabstandet sind. Anschließend wird vor Schritt b) ein dielekt risches Material derart zwischen die benachbarten Pixel eingebracht, dass das dielekt rische Material über die Oberfläche der Auslesestruktur hinaussteht. In Schritt b) wer den die Schichten der Diodenstrukturen derart gewachsen, dass die Diodenstrukturen benachbarter Pixel durch das dielektrische Material elektrisch voneinander getrennt sind.
Im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform taucht das Material der Diodenstrukturen hier nicht in die Lücken ein, sondern wird durch das dielektri sche Material in die entgegengesetzte Richtung verformt, also von der Oberfläche der Auslesestruktur weg. Auch so kommt es zu einer elektrischen Trennung der Dioden strukturen benachbarter Pixel. Auch hier liegt eine elektrische Trennung vor, sobald die Pixel unabhängig voneinander betrieben werden können. Vorzugsweise steht das dielektrische Material um 80 bis 120 nm über die Oberfläche der Auslesestrukturen hervor, während die an dem Kontaktierungsbereich anliegende Schicht der Dioden struktur eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 50 nm hat.
In den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen steht Schritt b) insbeson dere im Gegensatz zu einem Verfahren, bei dem die Diodenstruktur als ein gesonder tes Element gefertigt wird und auf die Auslesestruktur aufgebracht wird, beispielswei se durch Wafer-Bonding. Derartige Verfahren führen zu Zwei-Chip-Strukturen, welche sich von einem als integrierten Chip ausgebildeten Photonendetektionselement un terscheiden. Auch wenn die Ausführung des Photonendetektionselements als inte- grierter Chip bevorzugt ist, kann das beschriebene Photonendetektionselement auch mittels Wafer-Bondings aus zwei gesonderten Chips erhalten werden. Dies bietet im Vergleich zu bekannten Lösungen immer noch die Vorteile, die sich aus der Verwen dung von amorphem Silizium für die Diodenstruktur ergeben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf welche die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigen:
Fig. 1: ein erfindungsgemäßes Photonendetektionselement, Fig. 2: Kennlinie der Diodenstruktur des Photonendetektionselements aus Fig. 1,
Fig. 3: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors,
Fig. 4: eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors.
Fig. 1 zeigt ein Photonendetektionselement 1, welches eine Diodenstruktur 2 aus amorphem Silizium und eine Auslesestruktur 3 umfasst. Die Diodenstruktur 2 ist nach Art einer PIN-Diode ausgebildet und weist eine p-Schicht 7, eine i-Schicht 8 und eine n- Schicht 9 auf, die jeweils senkrecht zu einer Stapelrichtung r ausgebildet sind. Die Aus lesestruktur 3 weist ein Substrat 4 mit einer Vielzahl von Transistoren 5 und einen Kon taktierungsbereich 6 auf. In der Stapelrichtung r ist der Kontaktierungsbereich 6 zwi- sehen dem Substrat 4 und der Diodenstruktur 2 angeordnet. Die Transistoren 5 sind derart über den Kontaktierungsbereich 6 miteinander und mit der Diodenstruktur 2 verbunden, dass die Auslesestruktur 3 zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Ab hängigkeit von auf die Diodenstruktur 2 einfallenden Photonen eingerichtet ist. Der Kontaktierungsbereich 6 umfasst eine Verbindungsschicht 10, über welche die Dio- denstruktur 2 angebunden ist. Zudem umfasst der Kontaktierungsbereich 6 metalli sche Leiterbahnen 14, welche durch ein dielektrisches Material 13 voneinander ge trennt sind. Fig. 2 zeigt eine Diodenkennlinie der Diodenstruktur 2 aus Fig. 1. Eingezeichnet ist der Strom I gegen die Spannung V. Die Diodenstruktur 2 wird vorzugsweise oberhalb der Durchbruchspannung Vbr betrieben.
Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors 11. Beispielhaft sind zwei Pixel 12 des Bildsensors 11 gezeigt. Die Pixel 12 umfassen je weils ein wie in Fig. 1 ausgebildetes Photonendetektionselement 1. Die Trennung der Diodenstrukturen 2 der beiden benachbarten Pixel 12 ist dadurch erfolgt, dass bei der Herstellung eine gemeinsame Verbindungsschicht beispielsweise durch lokales Ätzen in die Verbindungsschichten 10 der beiden Pixel 12 unterteilt wurde. Das Material der Diodenstrukturen 2 kann so in eine Lücke 15 zwischen den Verbindungsschichten 10 eintauchen, wodurch die Diodenstrukturen 2 elektrisch voneinander getrennt sind.
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildsensors 11. 1m Unterschied zu Fig. 3 taucht das Material der Diodenstrukturen 2 hier nicht in die Lücken 15 zwischen den Verbindungsschichten 10 ein. Stattdessen steht dielektri- sches Material 13 über die Oberfläche der Auslesestruktur 3 hervor, wodurch das Ma terial der Diodenstrukturen 2 nach oben gewölbt ist. Insoweit sind die Diodenstruktu ren 2 der beiden Pixel 12 elektrisch voneinander getrennt.
Bezugszeichenliste
1 Photonendetektionselement
2 Diodenstruktur 3 Auslesestruktur
4 Substrat
5 Transistor
6 Kontaktierungsbereich
7 p-Schicht 8 i-Schicht
9 n-Schicht
10 Verbindungsschicht
11 Bildsensor
12 Pixel 13 dielektrisches Material
14 Leiterbahn
15 Lücke r Stapelrichtung

Claims

Ansprüche
1. Photonendetektionselement (1), umfassend
- eine Diodenstruktur (2) aus amorphem Silizium, welche nach Art einer PIN- Diode Schichten (7,8,9) aufweist, die senkrecht zu einer Stapelrichtung (r) aus gebildet sind,
- eine Auslesestruktur (3), welche ein Substrat (4) mit einer Vielzahl von Transis toren (5) und einen Kontaktierungsbereich (6) umfasst, wobei der Kontaktie rungsbereich (6) in der Stapelrichtung (r) zwischen dem Substrat (4) und der Diodenstruktur (2) angeordnet ist, wobei die Transistoren (5) derart überden
Kontaktierungsbereich (6) miteinander und mit der Diodenstruktur (2) verbun den sind, dass die Auslesestruktur (3) zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von auf die Diodenstruktur (2) einfallenden Photonen eingerich tet ist, wobei die Schichten (7,8,9) der Diodenstruktur (2) eine p-Schicht (7), eine i-
Schicht (8) und eine n-Schicht (9) sind, und wobei die i-Schicht (8) eine Schichtdicke im Bereich von 25 bis 75 nm hat.
2. Photonendetektionselement (1) nach Anspruch 1, wobei das Photonendetekti onselement (1) als ein integrierter Chip ausgebildet ist.
3. Photonendetektionselement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Diodenstruktur (2) derart ausgebildet ist, dass diese eine Durchbruchspan nung im Bereich von 2 bis 8 V hat.
4. Photonendetektionselement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kontaktierungsbereich (6) an seinerder Diodenstruktur (2) zugewandten Seite eine senkrecht zu der Stapelrichtung (r) ausgebildete Verbindungsschicht (10) aufweist, welche an die Diodenstruktur (2) angebunden ist.
5. Photonendetektionselement (1) nach Anspruch 4, wobei sich die Verbindungs schicht (10) quer zu der Stapelrichtung (r) vollflächig überdas Photonendetekti onselement (1) erstreckt.
6. Photonendetektionselement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (4) aus einem kristallinem Halbleitermaterial gebildet ist.
7. Verfahren zum Betrieb eines Photonendetektionselements (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine elektrische Spannung an die Diodenstruk- tur (2) angelegt ist, welche um 0, 1 V bis 1 V oberhalb der Durchbruchspannung der Diodenstruktur (2) liegt.
8. Bildsensor (11) umfassend eine Vielzahl von Pixeln (12), die jeweils ein Photonen detektionselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfassen, wobei die Photonendetektionselemente (1) derart quer zu der Stapelrichtung (r) nebenei- nander angeordnet sind, dass die Diodenstrukturen (2) zusammen eine senkrecht zu der Stapelrichtung (r) ausgebildete Sensorfläche (13) für einfallende Photonen bilden.
9. Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors (1) nach Anspruch 8, umfassend: a) Bereitstellen einer jeweiligen Auslesestruktur (3) für jeden der Pixel (12), b) Wachsen der jeweiligen Diodenstruktur (2) auf die entsprechende Ausle sestruktur (3).
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