DE19609073A1

DE19609073A1 - Farbselektives Si-Detektorarray

Info

Publication number: DE19609073A1
Application number: DE19609073A
Authority: DE
Inventors: Michel Marso; Michael Krueger; Michael Berger; Markus Thoenissen; Hans Lueth
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 1997-09-11
Also published as: WO1997033302A2; WO1997033302A3; US6255709B1; US6632699B1

Description

Die Erfindung betrifft ein farbselektives Si-Detektor array mit individuell herstellbaren Farbfiltern aus po rösem Silicium. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Poröses Silicium ist sehr einfach und billig herstell bar durch anodisches Ätzen von einkristallinem Silicium in einer Flußsäurelösung. Die Porosität und Mikrostruk tur des porösen Siliciums und damit auch der optische Brechungsindex hängen unter anderem ab von der Dotie rung des Ausgangsmaterials und der Ätzstromdichte. Des halb ist es durch zeitliche Änderung der Ätzstromdichte oder durch Verwenden eines Materials mit geeignetem Do tierprofil möglich, Porositäts-Übergitter herzustellen, welche als optische Filter z. B. als Bragg-Reflektor oder Fabry-Perot-Filter funktionieren (M. G. Berger el al., J. Phys. D: Appl. Phys. 27, 1333, (1994)).

Das Anbringen eines solchen Filters auf einem optischen Detektor, z. B. einer pn-Diode, verändert die spektrale Empfindlichkeit des Detektors. Die Verwendung einer Vielzahl von Detektoren mit unterschiedlichen Filtern ermöglicht z. B. das Farberkennen oder die Detektion des Energiespektrums des einfallenden Lichtes, mit räumli cher Auflösung.

Ziel der Erfindung ist es ein Detektorarray zu schaffen bzw. ein Herstellungsverfahren bereitzustellen, bei dem jeder einzelne Detektor mit einem individuellen Filter versehen ist bzw. wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Array gemäß der Ge samtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 10. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbe zogenen Unteransprüchen.

Die Erfindung beinhaltet eine Mehrzahl von pnp-Transis toren auf isolierendem oder undotiertem oder n-dotier tem Substrat. Die dem Substrat am nächsten liegende Schicht dient als Emitter, die n-Schicht dient als Ba sis und die an der Oberfläche liegende p-Schicht dient als Collector. Die einzelnen Transistoren sind durch eine geeignete Isolation elektrisch gegeneinander ge trennt (z. B. Mesa-Ätzung, Isolations-Implantation o. ä.).

Es kann vorteilhaft ein Array aus Zellen hergestellt werden, bei dem jede Zelle Pixeldetektoren für ver schiedene Farben, z. B. Rot, Grün, Blau, enthält. Außer dem kann das Array zum Auslesen zeilen- und spalten weise angesteuert werden.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figur und Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Anodisches Ätzen eines erfindungsgemäßes Ar ray in einer Ätzzelle;

Fig. 2 Array mit zwei sichtbar dargestellten pn-Pho todetektoren mit unterschiedlichen Filtern

Ausführungsbeispiel 1

Bei dem Ätzprozeß zur Herstellung des porösen Siliciums wird im wesentlichen nur die p-Collector-Schicht durch geätzt (ganz oder teilweise), wenn das Ätzen unter Aus schluß von Licht durchgeführt wird. In diesem Fall kann die vernachlässigbare Porösidierung von n-dotiertem Ma terial als Ätzstop zur Basisschicht ausgenutzt werden. Bei Ätzen unter Lichteinfluß kann die n-Schicht auch teilweise mitgeätzt werden. Als Ätzstrom wird der Col lectorstrom des pnp-Transistors bei geeigneten Emitter- und Basisspannungen ausgenutzt. Die Collectorschicht wird über den Elektrolyten vorgespannt. Zum Ätzen muß der Ätzstrom vom Silicium in den Elektrolyten fließen.

Dies ist genau der Fall beim pnp-Transistor, wenn die obere Schicht als Collector geschaltet wird. Durch ge eignete Modulation von Emitter- und/oder Basisspannun gen und -Strömen wird das gewünsche Porösitäts-Über gitter in die Collectorschicht des Transistors geätzt.

Bei der Herstellung einer Mehrzahl von Detektorelemen ten können die Transistoren einzeln oder in Gruppen ein- oder ausgeschaltet oder moduliert werden. Das an odische Ätzen findet nur an den jeweils stromdurchflos senen Collectorschichten statt (Fig. 1). Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, je ein Drittel der Bauelemente mit Rot-, Blau- und Grünfilter zu versehen.

Eine vorteilhafte elektrische Verbindung der Transisto ren besteht darin, die Emitterkontakte spaltenweise und die Basiskontakte zeilenweise miteinander zu verbinden (oder umgekehrt). Durch Anlegen geeigneter Spannungen an Zeilen und Spalten können die Transistoren einzeln oder zeilen- oder spaltenweise angesteuert werden.

Bei der Benutzung der erzeugten Struktur als optischer Detektor gelangt das Licht durch das Schichtsystem aus porösem Silicium in die Emitter-Basis-pn-Diode, welche als pn-Detektor benutzt wird. Das erzeugte elektrische Signal wird zwischen Emitter- und Basis-Kontakt abge griffen (Fig. 2).

Bei der oben erwähnten zeilen- und spaltenweise Kontak tierung der Basis- und Emitterelektroden kann das elek trische Signal jeder einzelnen pn-Diode an dem entspre chenden Zeilen- und Spaltenkontakt abgegriffen werden.

Zur Bildung einer Anordnung mit mehreren Transistor funktionen mit unterschiedlichen Filtern kann im ein zelnen verfahrensmäßig wie folgt vorgegangen werden:

1. Erzeugung einer pnp-Schichtfolge auf isolierendem oder undotiertem oder n-dotiertem Silicium-Substrat oder auf Substrat eines anderen Materials. Die Dotie rungen liegen im Bereich zwischen zum Beispiel 1_*10¹⁴cm^-3 und 1_*10²⁰cm^-3, die Schichtdicken betragen zum Bei spiel 10 nm bis 100 µm, so daß die Schichtfolge Transis torfunktion hat. Die Erzeugung der Schichtfolge kann mit Hilfe der Epitaxie oder Implantation oder Diffusion oder einer Kombination der genannten Verfahren erfol gen.
2. Ätzung zum Freilegen der Basisschicht.
3. Ätzung zum Freilegen der Emitterschicht
4. Ätzung zur Isolation der Einzeltransistoren Anmerkung: Anstelle der Ätzungen zum Freilegen der Transistorschichten sind auch Kontaktimplantationen möglich, z. B. eine n-Implantation zum Kontaktieren der Basisschicht.

Isolationsätzungen können auch durch geeignete Implan tationen ersetzt werden.

5. Metallisierungen für die Kontaktierung von Emitter- und Basisschicht
6. Zeilen- bzw. spaltenmäßiges Verbinden der Emitter resp. Collectoranschlüsse. Überkreuzungen und Mesaflan ken werden durch Isolationsschichten elektrisch iso liert.
7. Definition der Ätzflächen durch eine Isolations schicht. Diese wird vorteilhaft lichtundurchlässig aus geführt, damit das zu detektierende Licht nicht durch die unterätzten Randbezirke des Porositätsfilter in den Detektor gelangt.

Anmerkung

Die Herstellung des Bauelementearrays kann auch in anderer Reihenfolge erfolgen.

8. Anodisches Ätzen der oberen p-Schicht. Die Transi storen werden einzeln oder in Gruppen angesteuert, um individuelle Porositäts-Übergitter zu erzeugen.
9. Einsatz als Detektorarray mit zeilen- und spalten förmig ablesbaren pn-Dioden, wobei die einzelnen Dioden individuelle spektrale Empfindlichkeit besitzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert die Vorteile der konventionellen Silicium-Technologie mit dem sehr preiswerten Verfahren zur Herstellung von porösem Sili cium. Es ist auf bestechend einfache und billige Weise möglich, ein Photodetektorarray mit zeilen- und spal tenförmiger Ansteuerung herzustellen mit individueller spektraler Empfindlichkeit für jeden einzelnen Detek tor. Dies ermöglicht die einfache Herstellung einer in tegrierten Farbkamera. Die benutzte pnp-Struktur kann für die Herstellung einer Ausleselogik und einer elek tronischen Weiterverarbeitung genutzt werden. Ebenso ist die Ausführung einer MOS-Technologie auf dem Substrat möglich.

Claims

1. Transistor, insbesondere pnp-Transistor, dessen oberste Schicht (Collectorschicht) durch anodisches Ätzen wenigstens teilweise in poröses Silicium um gewandelt ist.

2. Transistor nach Anspruch 1, wobei die poröse Schicht durch Dotierungsmodulation in der oberen p- Schicht und/oder durch Modulation des Ätzstromes so ausgebildet ist, daß sie eine optische Filterwir kung bewirkt.

3. Array, insbesondere Detektorarray, mit mehreren Transistoren nach Anspruch 1 oder 2.

4. Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei durch jeweils unterschiedliche elektrische Ansteuerung jeweiliger Transistorelektroden und damit jeweils unterschiedliche Ätzströmen während der Ätzung der jeweilige Transistor eine poröse Siliciumschicht mit individuell optischer Eigenschaft aufweist.

5. Array nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Emitter der Einzeltransistoren spaltenweise und die Basisan schlüsse zeilenweise so zusammengeschaltet sind, oder umgekehrt, daß mit Hilfe geeigneter Zeilen- und Spaltenspannungen einzelne Transistoren oder Transistorgruppen steuerbar sind.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem nicht anodisch geätzte p- und/oder n-Schichten als pn-Fotodetektor so ausgebildet sind, daß die poröse Schicht als optischer Filter wirkt.

7. Mehrzahl von Bauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei denen nicht anodisch geätzte p- Schicht(en) einzelner Bauelemente zeilenweise und die n-Schicht(en) spaltenweise elektrisch so ver bunden sind, daß ein durch optische Anregung er zeugtes, elektrisches Signal in den einzelnen pn- Dioden zwischen der zugehörigen Zeilen- und Spal tenleitung abgegriffen werden kann.

8. Mehrzahl von Bauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei als Farbfilter, insbesondere für die Ausbildung einer Farbkamera, mehrere, insbesondere drei Filter mit den Farben Rot, Blau und Grün, ent halten sind.

9. Mehrzahl von Bauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein oder mehrere Bauelemente zur Bildung einer Referenz für die anderen Farb-filter bauelemente oder zur Auswertung der Hell-Dunkel-In formation des einfallenden Lichtes nicht geätzt ist bzw. sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Bauelement oder ei ner Mehrzahl von Bauelementen nach einem der An sprüche 1 bis 9 mit beliebiger Schichtenfolge, wo bei die Schichtenfolge Transistorfunktion hat, z. B. npn-Transistor, Heterobipolartransistor, pnp- Transistor mit niedrig dotierter Zwischenschicht zur Erzielung einer verbesserten Photodetektorwir kung, wobei
die obere Schicht oder Schichtfolge porösidiert wird,
ein über der Schichtenfolge befindlicher Elektrolyt als einer der Transistoranschlüsse dient,
die, insbesondere beiden, anderen Transistoran schlüsse geeignet vorgespannt werden, so daß jeder Einzeltransistor den zur Bildung einer erwünschten Filterausbildung gewünschten Ätzstrom liefert.

11. Bauelement oder Mehrzahl von Bauelementen nach ei nem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Schichtfolge der Reihenfolge Substrat-n-p-n-p, wobei der obere pnp-Transistor für die Steuerung des anodischen Ät zens und der untere npn-Transistor als Phototransistor Einsatz findet.

12. Verfahren, bei dem die Collectorschicht eines pnp- Transistors durch anodisches Ätzen wenigstens teil weise in poröses Silicium umgewandelt wird, wobei der Ätzstrom durch die Transistorfunktion bei Anle gen geeigneter Vorspannungen an den Elektrolyten und an die nicht mit dem Elektrolyten in direktem Kontakt stehenden Elektroden (Basis, Emitter) ge steuert wird.