DE19740124A1 - Photodiode - Google Patents
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Description
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 Lich
tenergie die elektrische Ladung in einer Weise, die proportional der
Photonenabsorptionsrate ist.
Eine vorbekannte p+/n Photodiode 10 zeigt als Querschnittsdia
gramm die Fig. 3. Die Photodiode 10 umfaßt ein n-Typ Substrat 12 und ei
nen 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 potential
frei. 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 ange
zogen 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 Span
nung am p+ Bereich 14 in einer Weise, die proportional ist zu der Photo
nenabsorptionsrate.
Einer der Hauptnachteile einer Photodiode 10 ist, daß die Pho
todiode 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 Ein
fluß 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+ Be
reich 26 gebildeten Löcher in dem Bereich 26, während die in dem p+ Be
reich 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 po
sitiven Spannung, die an die n-Wanne 24 angelegt ist. Wie bei der Photo
diode 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 Aufrech
terhalten einer Vorspannung in Sperrichtung über den Wannen-Substrat
übergang, 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 ge
bildet 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 ge
hen etwa die Hälfte der photoerzeugten Löcher, die in der n-Wanne 24 ge
bildet 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 Pho
todiode auf einer stark dotierten Schicht eines n-Typ Halbleitermateri
als, 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 zu
rückzuhalten von einem Verlust an das Substrat, wodurch die Quantenaus
beute erhöht wird. Die stark dotierte Schicht des n-Typ Halbleitermate
rials hält ferner Löcher von dem Substrat, die Rauschen bewirken, davon
ab, nach oben in die Photodiode zu diffundieren, wodurch die Rauschver
minderung, 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 Leit
fähigkeitstyps bestehen.
Beim Betrieb arbeitet die Photodiode 100 genauso wie die Pho
todiode 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 zu
rück zum p+ Bereich 116 zu reflektieren. Wie vorstehend ausgeführt, wer
den die Elektronen dieser Elektronenlochpaare weiterhin angezogen von
der positiven Spannung, die an die n-Typ Schicht 114 angelegt ist, unge
achtet 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 zusätz
lich auch, daß thermisch oder auf andere Weise erzeugte Löcher, die ih
ren Ursprung im Substrat 110 haben, aufwärts diffundieren zum p+ Bereich
116, wodurch die bei p+/n-Wannenphotodioden übliche Rauschminderung bei
behalten wird. Die Struktur der Photodiode 100 erhöht demnach die Quan
tenausbeute, während gleichzeitig Löcher, die ein Rauschen ergeben, dar
an 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 Blaulichtemp
findlichkeiten abgeglichen und die Infrarotlichtempfindlichkeit der Pho
todiode 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 Blau
lichtempfindlichkeiten nicht gleich, da blaue Photonen häufig durch die
die Photodiode abdeckenden Strukturen verhindert werden. Von blauen Pho
tonen gebildete Löcher gehen zusätzlich auch häufig an Grenzflächenzu
stände verloren. Folglich werden üblicherweise mehr rote Löcher als
blaue Löcher gebildet. Zusätzlich bilden rote und infrarote Photonen un
terhalb 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 we
nige rote und infrarote Löcher gebildet in der n-Typ Schicht 114, wohin
gegen mehr rote und infrarote Löcher gebildet werden im Substrat 112, da
mehr der roten und infraroten Photonen die erste Schicht 112 durchdrin
gen 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 ge
bildet, während weniger rote und infrarote Löcher in dem Substrat 110
gebildet werden, weil weniger der roten und infraroten Photonen die er
ste 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 blau
en Lichtempfindlichkeiten abgeglichen sind, werden ebenfalls weniger In
frarotlöcher 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 Photo
diode 100', die ausgebildet ist in einem p-Typ Substrat 110' und umfaßt
eine p+ Schicht 112' als eine erste Schicht, ausgebildet auf dem Sub
strat 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 Konzen
tration 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 Ausfüh
rungen entsprechend.
Claims (6)
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') ausge
bildete erste Schicht (112, 112') eines Halbleitermaterials des zweiten
Leitfähigkeitstyps und eine auf der ersten Schicht (112, 112') ausgebil
dete 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 Dotierungs
substanz aufweist als die zweite Schicht (114, 114').
2. Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Halbleitersubstrat (110, 110') vom ersten Leitfähigkeitstyp ist.
3. Photodiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Leitfähigkeitstyp vom p Typ und der zweite Leitfähigkeits
typ vom n Typ ist.
4. Photodiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Leitfähigkeitstyp vom n Typ und der zweite Leitfähigkeits
typ vom p Typ ist.
5. Photodiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das Halbleitersubstrat (110, 110') vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist.
6. Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die erste Schicht (112, 112') eine vergrabene Schicht
umfaßt.
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