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Dokumentenidentifikation DE19740124A1 30.04.1998
Titel Photodiode
Anmelder National Semiconductor Corp., Santa Clara, Calif., US
Erfinder Merrill, Richard Billings, Woodside, Calif., US
Vertreter Sparing . Röhl . Henseler, 40237 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 12.09.1997
DE-Aktenzeichen 19740124
Offenlegungstag 30.04.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1998
IPC-Hauptklasse H01L 31/103
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Photodiode, ausgebildet in einem Halbleitersubstrat eines Leitfähigkeitstyps mit einer auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Schicht eines Halbleitermaterials eines zweiten Leitfähigkeitstyps, in der ein Bereich eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist. Zur Verbesserung der Lichtempfindlichkeit einer solchen Photodiode ist vorgesehen, daß die Photodiode auf einer stark dotierten Schicht eines Halbleitermaterials ausgebildet ist, das wiederum auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Photodiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Herkömmliche Abbildungsschaltkreise nutzen Photodioden, um ein Pixel Lichtenergie in eine elektrische Ladung, die die Intensität der Lichtenergie wiedergibt, umzuwandeln. Im allgemeinen verändert die Lichtenergie die elektrische Ladung in einer Weise, die proportional der Photonenabsorptionsrate ist.

Eine vorbekannte p+/n Photodiode 10 zeigt als Querschnittsdiagramm die Fig. 3. Die Photodiode 10 umfaßt ein n-Typ Substrat 12 und einen p+ Bereich 14, der in dem Substrat 12 ausgebildet ist.

Beim Betrieb ist der p+ Bereich 14 anfänglich in Sperrichtung vorgespannt in bezug auf das n-Typ Substrat 12 und wird dann potentialfrei. Fällt unter diesen Bedingungen Lichtenergie in Form von Photonen auf die Photodiode 10, wird dadurch eine Anzahl Elektronenlochpaare im Substrat 12 und dem p+ Bereich 14 gebildet. Wie in Fig. 3 dargestellt, diffundieren die in dem n-Typ Substrat 12 gebildeten Löcher zu dem p-n Übergang, von wo sie sich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes an dem Übergang in den p+ Bereich 14 bewegen, während die Elektronen angezogen werden von der positiven Spannung, die an dem n-Typ Substrat 12 anliegt.

In ähnlicher Weise bleiben die in dem p+ Bereich 14 gebildeten Löcher in dem Bereich 14, während die in dem n+ Bereich 14 gebildeten Elektronen zu dem p-n Übergang diffundieren, von wo sie sich zu dem n-Typ Substrat 12 bewegen. Mit dem Zuwachs eines jeden photoerzeugten Loches in dem p+ Bereich 14 steigt folglich die Spannung am p+ Bereich 14 entsprechend an. Als Folge davon verändert die Photodiode die Spannung am p+ Bereich 14 in einer Weise, die proportional ist zu der Photonenabsorptionsrate.

Einer der Hauptnachteile einer Photodiode 10 ist, daß die Photodiode 10 anfällig ist sowohl für thermisch erzeugte als auch andere Störquellen. Beispielsweise diffundieren in dem Substrat 12 gebildete Löcher, die von thermisch erzeugten Elektronenlochpaaren stammen, von dem n-Typ Substrat 12 in den p+ Bereich 14, wo jedes zusätzliche Loch fälschlicherweise ein anderes Photon angibt.

Eine Technik zur Begrenzung des Störeffekts ist die Verwendung einer p+/n-Wannenphotodiode. Fig. 4 zeigt ein Querschnittsdiagramm einer vorbekannten p+/n-Wannenphotodiode 20. Diese Photodiode 20 umfaßt eine n-Wanne 24, die in einem p-Typ Substrat 22 ausgebildet ist, und einen p+ Bereich 26, der in der n-Wanne 24 ausgebildet ist.

Beim Betrieb ist die n-Wanne 24 in Sperrichtung vorgespannt in bezug auf das p-Typ Substrat 22 durch Anlegen einer negativen Spannung am Substrat 22 und einer positiven Spannung an der n-Wanne 24. Ferner ist der p+ Bereich 26 anfänglich in Sperrichtung vorgespannt in bezug auf die n-Wanne 24 und wird dann potentialfrei.

Unter diesen Bedingungen diffundieren die in der n-Wanne 24 gebildeten Löcher zu dem p-n Übergang, von wo sie sich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zu den p+ Bereich 26 bewegen, während die Elektronen angezogen werden von der positiven Spannung, die an die n-Wanne 24 angelegt ist. In ähnlicher Weise bleiben die in dem p+ Bereich 26 gebildeten Löcher in dem Bereich 26, während die in dem p+ Bereich 26 gebildeten Elektronen zu dem p-n Übergang diffundieren, von wo sie sich zu der n-Wanne 24 bewegen und dann gesammelt werden von der positiven Spannung, die an die n-Wanne 24 angelegt ist. Wie bei der Photodiode 10 erhöht folglich der Zuwachs eines jeden photoerzeugten Loches in dem p+ Bereich entsprechend die Spannung an den p+ Bereich.

Ein wesentlicher Vorteil der Diode 20 ist, daß beim Aufrechterhalten einer Vorspannung in Sperrichtung über den Wannen-Substratübergang, Löcher durch den p-n Übergang daran gehindert werden, die durch thermische Erzeugung oder andere Störquellen von dem Substrat 22 stammen, von dem Substrat 22 in den p+ Bereich 26 zu diffundieren.

Statt dessen werden die Löcher in dem Substrat 22 angezogen von der negativen Spannung, die an dem Substrat 22 anliegt, während die Elektronen in dem Substrat 22 von diesen Elektronenlochpaaren zu dem p-n Übergang diffundieren, von wo sie sich zu der n-Wanne 24 bewegen und dann gesammelt werden durch die an der n-Wanne 24 anliegenden positiven Spannung. Eine p+/n-Wannenphotodiode reduziert folglich den Störpegel deutlich.

Nachteilig bei einer Photodiode 20 ist jedoch, daß diese nur eine relativ schlechte Quantenausbeute ermöglicht. Wie ferner in Fig. 4 dargestellt ist, können photoerzeugte Löcher, die in der n-Wanne 24 gebildet werden, anstelle eines Diffundierens zu dem p+ Bereich 26 auch zu dem Substrat 22 diffundieren, wo diese Löcher und die Photoinformation, die sie wiedergeben, verlorengehen. Bei einem typischen CMOS Prozeß gehen etwa die Hälfte der photoerzeugten Löcher, die in der n-Wanne 24 gebildet werden, an das Substrat 22 verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Photodiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, deren Quantenausbeute erhöht ist, und zwar unter gleichzeitiger Beibehaltung des Rauschwiderstandes.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird bei einer p+/n-Typ Photodiode die Quantenausbeute erhöht durch Ausbilden der Photodiode auf einer stark dotierten Schicht eines n-Typ Halbleitermaterials, das wiederum ausgebildet ist auf einem p-Typ Halbleitersubstrat.

Die stark dotierte Schicht des n-Typ Halbleitermaterials trägt dazu bei, die in der n-Typ Schicht gebildeten photoerzeugten Löcher zurückzuhalten von einem Verlust an das Substrat, wodurch die Quantenausbeute erhöht wird. Die stark dotierte Schicht des n-Typ Halbleitermaterials hält ferner Löcher von dem Substrat, die Rauschen bewirken, davon ab, nach oben in die Photodiode zu diffundieren, wodurch die Rauschverminderung, die bei p+/n-Wannenphotodioden üblich ist, beibehalten wird.

Die rote und die blaue Lichtempfindlichkeit der Photodiode können zusätzlich durch ein Einstellen der Tiefe der zweiten Schicht auf eine vorbestimmte Tiefe abgeglichen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Querschnittsdiagramm einer p+/n Photodiode 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Querschnittsdiagramm einer n+/p Photodiode 100' gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Photodiode 100, die ausgebildet ist in einem p-Typ Substrat 110 und eine n+ vergrabene erste Schicht 112, ausgebildet auf dem Substrat 110, eine zweite n-Typ Schicht 114, ausgebildet auf der vergrabenen Schicht 112, und einen p+ Bereich 116, ausgebildet in der n-Typ Schicht 114, umfaßt. Die erste Schicht 112 besitzt eine höhere Konzentration an Dotierungssubstanz als die zweite Schicht 114, wobei beide Schichten 112, 114 aus einem Halbleitermaterial des gleichen Leitfähigkeitstyps bestehen.

Beim Betrieb arbeitet die Photodiode 100 genauso wie die Photodiode 20 der Fig. 4, mit der Ausnahme, daß die n+ vergrabene Schicht 112 der Photodiode 100 wenigstens geringfügig mehr positiv ist als die n-Typ Schicht 114 aufgrund eines verstärkten Dotierens und als Ergebnis davon dazu beiträgt, die in der n-Typ Schicht 114 gebildeten Löcher zurück zum p+ Bereich 116 zu reflektieren. Wie vorstehend ausgeführt, werden die Elektronen dieser Elektronenlochpaare weiterhin angezogen von der positiven Spannung, die an die n-Typ Schicht 114 angelegt ist, ungeachtet dessen, ob die Elektronen durch die n+ vergrabene Schicht 114 durchgehen oder nicht. Die n+ vergrabene Schicht 112 reduziert demnach die Zahl Photoinformationslöcher, die an das Substrat 110 verlorengehen, wodurch die Quantenausbeute der Photodiode 100 erhöht wird.

Der n+ vergrabene Schicht/Substratübergang verhindert zusätzlich auch, daß thermisch oder auf andere Weise erzeugte Löcher, die ihren Ursprung im Substrat 110 haben, aufwärts diffundieren zum p+ Bereich 116, wodurch die bei p+/n-Wannenphotodioden übliche Rauschminderung beibehalten wird. Die Struktur der Photodiode 100 erhöht demnach die Quantenausbeute, während gleichzeitig Löcher, die ein Rauschen ergeben, daran gehindert werden, von dem Substrat nach oben zu diffundieren.

Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Photodiode 100 ein automatisches Blooming erlaubt, so daß immer wenn das Potential an dem p+ Bereich 116 ungefähr 0,6 Volt größer ist als das Potential an der n-Typ Schicht 114, der Übergang zwischen den zwei Bereichen in Durchlaßrichtung vorgespannt wird.

Mit der Photodiode 100 können auch die Rot- und Blaulichtempfindlichkeiten abgeglichen und die Infrarotlichtempfindlichkeit der Photodiode 100 verringert werden durch ein Begrenzen der Zahl der roten und infraroten Löcher, die durch den p+ Bereich 116 gesammelt werden können.

Bei einer herkömmlichen Photodiode sind die Rot- und Blaulichtempfindlichkeiten nicht gleich, da blaue Photonen häufig durch die die Photodiode abdeckenden Strukturen verhindert werden. Von blauen Photonen gebildete Löcher gehen zusätzlich auch häufig an Grenzflächenzustände verloren. Folglich werden üblicherweise mehr rote Löcher als blaue Löcher gebildet. Zusätzlich bilden rote und infrarote Photonen unterhalb der Oberfläche der Photodiode üblicherweise Elektronenlochpaare, während blaue Photonen überwiegend an der Oberfläche der Photodiode Elektronenlochpaare bilden.

Die Photodiode 100 begrenzt die Zahl der gesammelten roten und infraroten Löcher durch Verändern der Dicke der n-Typ Schicht 114, also der zweiten Schicht, die wiederum die Zahl der Löcher verändert, die in dem Substrat 110 und der n-Typ Schicht 114 gebildet werden. Die Dicke der n-Typ Schicht 114 wird verändert durch Entfernen eines Teils der n-Typ Schicht 114, bis eine Tiefe der n-Typ Schicht erreicht ist, die gleich einer vorbestimmten Dicke ist. Durch ein Verändern der Dicke der n-Typ Schicht 114 wird erreicht, daß die roten und infraroten Photonen den p-n Übergang zwischen der n+ Schicht 112, der ersten Schicht, und dem Substrat 110 einfach durchgehen können, die Elektronenlochpaare aber, die von den roten und infraroten Photonen gebildet werden, nicht von dem Substrat 110 nach oben diffundieren können.

Folglich werden mit einer relativ dünnen n-Typ Schicht 114 wenige rote und infrarote Löcher gebildet in der n-Typ Schicht 114, wohingegen mehr rote und infrarote Löcher gebildet werden im Substrat 112, da mehr der roten und infraroten Photonen die erste Schicht 112 durchdringen und Elektronenlochpaare in dem Substrat 110 bilden.

In ähnlicher Weise werden mit einer relativ dicken n-Typ Schicht 114 mehr rote und infrarote Löcher in der n-Typ Schicht 114 gebildet, während weniger rote und infrarote Löcher in dem Substrat 110 gebildet werden, weil weniger der roten und infraroten Photonen die erste Schicht 112 durchdringen und Elektronenlochpaare in dem Substrat 110 bilden. Folglich kann durch ein Festlegen der Dicke der n-Typ Schicht 114 auf einen Wert, der dieselbe Zahl rote Löcher und blaue Löcher in der n-Typ Schicht 114 bewirkt, die Empfindlichkeiten abgeglichen werden. Da ferner weniger rote Löcher gesammelt werden, wenn die roten und blauen Lichtempfindlichkeiten abgeglichen sind, werden ebenfalls weniger Infrarotlöcher gesammelt.

Bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Photodiode 100 sind die Leitfähigkeitstypen exemplarisch angegeben.

Die vorstehenden Ausführungen gelten entsprechend für ein zweites Ausführungsbeispiel einer Photodiode 100' gemäß Fig. 2, das sich auf eine n+/p-Typ Schicht-Photodiode bezieht. Fig. 2 zeigt eine Photodiode 100', die ausgebildet ist in einem p-Typ Substrat 110' und umfaßt eine p+ Schicht 112' als eine erste Schicht, ausgebildet auf dem Substrat 110', eine p-Typ Schicht 114' als zweite Schicht, ausgebildet auf der ersten Schicht 112' und einen n+ Bereich 116', ausgebildet in der der ersten Schicht 112' und einen n+ Bereich 116', ausgebildet in der p-Typ Schicht 114'. Ein p-Typ Substrat ist bevorzugt in der n+/p-Typ Schicht-Photodiode, allerdings kann ein n-Typ Substrat ebenfalls genauso verwendet werden. Die erste p+ Schicht 112' besitzt eine höhere Konzentration an Dotierungssubstanz als die zweite p-Typ Schicht 114', wobei beide Schichten 112', 114' aus einem Halbleitermaterial des gleichen Leitfähigkeitstyps bestehen. Im übrigen gelten die vorstehenden Ausführungen entsprechend.


Anspruch[de]
  1. 1. Photodiode, ausgebildet in einem Halbleitersubstrat eines Leitfähigkeitstyp mit einer auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Schicht eines Halbleitermaterials eines zweiten Leitfähigkeitstyps, in der ein Bereich eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine auf dem Substrat (110, 110') ausgebildete erste Schicht (112, 112') eines Halbleitermaterials des zweiten Leitfähigkeitstyps und eine auf der ersten Schicht (112, 112') ausgebildete zweite Schicht (114, 114') eines Halbleitermaterials des zweiten Leitfähigkeitstyps umfaßt, wobei in der zweiten Schicht (114, 114') der Bereich (116, 116') des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, und die erste Schicht (112, 112') eine höhere Konzentration an Dotierungssubstanz aufweist als die zweite Schicht (114, 114').
  2. 2. Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (110, 110') vom ersten Leitfähigkeitstyp ist.
  3. 3. Photodiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp vom p Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp vom n Typ ist.
  4. 4. Photodiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp vom n Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp vom p Typ ist.
  5. 5. Photodiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (110, 110') vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist.
  6. 6. Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (112, 112') eine vergrabene Schicht umfaßt.






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