DE3637817A1

DE3637817A1 - Hochempfindliche photodiode

Info

Publication number: DE3637817A1
Application number: DE19863637817
Authority: DE
Inventors: Hideo Muro
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1985-11-08
Filing date: 1986-11-06
Publication date: 1987-05-14
Also published as: DE3637817C2; US4920395A; JPS62109376A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Photodiode, die eine gesteigerte Empfindlichkeit hat und dazu geeignet ist, mit zugehörigen Halbleitereinrichtungen oder Schaltungen in bipolaren integrierten Schaltkreisen integriert zu werden.

Bei einer üblichen Photodiode, die mit Hilfe eines gewöhnlichen bipolaren Verfahrens hergestellt wird, bilden ein Siliziumsubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise des p-Typs und eine epitaxial aufgewachsene Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, d. h. in diesem Falle vom n^--Typ, eine PN-Übergang. In einem ausgewählten Bereich wird die Epitaxialschicht in einen diffundierten Isolationsbereich vom p⁺-Typ umgewandelt, wobei hierbei ein solches Muster gewählt wird, daß auf dem Siliziumsubstrat ein Inselbereich vom n^--Typ ausgebildet wird. In der Oberfläche eines Randbereiches des Inselbereiches wird ein Emitterdiffusionsbereich vom n⁺-Typ ausgebildet, der als Kathode dient, während der diffundierte Isolationsbereich vom p⁺-Typ als Anode verwendet wird. Ein Feldoxydfilm liegt über der gesamten Fläche der Vorrichtung mit Ausnahme solcher Stellen, an denen Aluminiumverbindungen ausgebildet werden. Im Betrieb dieser Diode wird der PN-Übergang zwischen dem Siliziumsubstrat vom p-Typ und der Epitaxialschicht vom n^--Typ in der Insel in Sperrichtung vorgespannt. Wenn die Diode beleuchtet wird, dann fließt ein Strom zwischen der Anode und der Kathode.

Bei der bekannten Photodiode dieses Aufbaus beträgt die Dicke der epitaxial aufgewachsenen Schicht gewöhnlich 10 µm, und es ist schwierig, diese Dicke in nennenswertem Umfang zu vermindern. Dies bedeutet, daß der PN-Übergang der Photodiode sich in erheblicher Tiefe unterhalb der Oberfläche befindet, auf die das Licht einfällt. Die Elektronen- und Loch-Paare, die in Bereichen dicht unter der Oberfläche erzeugt werden, tragen daher zum Ausgangsstrom nicht nennenswert bei, so daß die Empfindlichkeit der Photodiode nicht besonders hoch ist.

Im Falle, daß eine Photodiode mit den zugehörigen Schaltkreiselementen in einem Halbleiterchip integriert wird, um einen Photodetektor zu bilden, hat die niedrige Empfindlichkeit der Photodiode zur Folge, daß die Schaltkreiselemente komplizierter ausgebildet werden müssen und einen erheblichen Platz auf dem Halbleiterchip beanspruchen, weshalb die Produktionskosten entsprechend hoch werden. Darüber hinaus wohnt dem sich ergebenden Photodetektor der Nachteil inne, daß die Wahrscheinlichkeit von Fehlfunktionen relativ hoch ist, weil es schwierig ist, ein gutes Signal/Stör-Verhältnis aufgrund der ungenügenden Empfindlichkeit der Photodiode sicherzustellen. Bei der industriellen Fertigung wird der Ausschlußanteil recht erheblich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Photodiode anzugeben, die eine hohe Empfindlichkeit aufweist und daher die zuvor genannten Probleme des Standes der Technik, die sich insbesondere im Hinblick auf integrierte Photodetektoren ergeben, beseitigt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und ein Photodetektor mit einer Photodiode der erfindungsgemäßen Art sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Demnach wird ein dünner laminarer Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp durch Ionenimplantation ausgebildet, so daß die Dicke dieses laminaren Bereiches gewöhnlich geringer als 1 µm ist. Durch Ausbildung eines solchen dünnen laminaren Bereiches desselben Leitfähigkeitstyps wie das Halbleitersubstrat wird ein zweiter PN-Übergang in sehr kurzer Distanz zur Oberfläche, auf die das Licht einfällt, erzeugt. Im Betrieb wird auch der zweite PN-Übergang in Sperrichtung vorgespannt. Die Elektronen- und Loch-Paare, die in Nachbarschaft zur Oberfläche erzeugt werden, werden daher ebenfalls wirksam zur Erzeugung des Ausgangsstroms der Photodiode verwendet. Diese Photodiode weist daher eine bemerkenswert höhere Empfindlichkeit auf, als die bekannte Photodiode, die nur einen einzigen PN-Übergang in erheblichem Abstand zur Oberfläche des Halbleiters hat.

Bei der Herstellung eines integrierten Photodetektors auf einem einzelnen Chip oder einer lichtempfindlichen Halbleitervorrichtung mit einer Photodiode nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Schaltung zur Aufbereitung des Ausgangsstroms der Photodiode zu vereinfachen, weil die Photodiode eine verbesserte Empfindlichkeit hat. Bei der industriellen Herstellung nimmt daher der Ausschlußanteil ab und die Produktionskosten werden geringer. Außerdem zeigen die hergestellten Produkte ein verbessertes Verhalten, da ein gutes Signal/Stör-Verhältnis erzielt werden kann. Ein integrierter Photodetektor auf einem einzelnen Chip, der eine Photodiode nach der vorliegenden Erfindung und einen JFET enthält, der eine Sperrspannung an die Photodiode in einer konstanten Mikrostrombetriebsart anlegt und den Ausgang der Photodiode verstärkt kann beispielsweise mit niedrigen Kosten in einem gewöhnlichen bipolaren Verfahren hergestellt werden.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Photodiode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 einen entsprechenden Schnitt durch eine bekannte Photodiode, und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Photodetektoreinrichtung in integrierter Bauart, bei der die Photodiode nach den Fig. 1 und 2 und ein JFET integriert sind.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Photodiode als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Bauelement ist eine Epitaxialschicht 12 vom n^--Typ auf die Hauptfläche eines Siliziumsubstrats 10 vom p-Typ aufgewachsen. Beispielsweise beträgt die Dicke der Epitaxialschicht 12 vom n^--Typ etwa 10 µm. Ein ausgewählter Bereich der Epitaxialschicht 12 ist durch Diffusion in einen Isolationsbereich 14 vom p⁺-Typ umgewandelt, so daß ein Inselbereich 12 a der n^--Schicht 12 von dem Isolationsbereich 14 vom p⁺-Typ umgeben ist. In der Oberfläche eines ausgewählten Randbereiches des Inselbereiches 12 a ist ein schmaler und relativ dünner Emitterdiffusionsbereich 16 vom n⁺-Typ ausgebildet. In der Oberfläche eines Hauptbereiches des Inselbereiches 12 a ist ein dünner Laminarbereich 18 vom p-Typ ausgebildet, und die Oberfläche dieser p-Schicht 18 ist von einem dünnen Oxydfilm 20 bedeckt. Beispielsweise beträgt die Dicke dieses Oxydfilmes 20 etwa 0,1 µm. Die übrige Oberfläche des Halbleiterelements ist mit einem relativ dicken Feldoxydfilm 20 A bedeckt, der örtlich abgetragen ist, um Aluminiumverbindungen 22 auszubilden. Bei der so aufgebauten Photodiode besteht ein PN-Übergang 17 zwischen der dünnen Schicht 18 vom p-Typ und der Epitaxialschicht 12 a vom n^--Typ in Inselform zusätzlich zu dem PN-Übergang 13 zwischen dem Substrat 10 vom p-Typ und der Epitaxialschicht 12 vom n^--Typ. Bei diesem Halbleiterelement wird der Emitterdiffusionsbereich 16 vom n⁺-Typ als Kathode und der diffundierte Isolationsbereich 14 vom p⁺-Typ als Anode verwendet.

Das Halbleiterelement nach den Fig. 1 und 2 kann unter Verwendung üblicher Bipolartechniken hergestellt werden. Der erste Schritt besteht im epitaxialen Aufwachsen der Schicht 12 vom n^--Typ. Sodann wird eine Verunreinigungsdiffusion vom p-Typ ausgeführt, um den Isolationsbereich 14 auszubilden, und dann wird eine Verunreinigungsdiffusion vom n-Typ ausgeführt, um den Emitterdiffusionsbereich 16 auszubilden. Anschließend wird auf der gesamten Oberfläche der Feldoxydfilm 20 A hergestellt. Nachfolgend wird der Oxydfilm 20 A durch Ätzen in dem ausgewählten Hauptbereich des Inselbereiches 12 a vom n^--Typ abgetragen, und der dünne Laminarbereich 18 vom p-Typ wird durch Ionenimplantation von Bor in dem geätzten Bereich ausgebildet. Beispielsweise wird die Borionenimplantation bei etwa 100 keV mit einer Dosis von bis zu etwa 1,2 × 10¹²/cm² ausgeführt. Anschließend wird der dünne Oxydfilm 20 durch ein Naßoxydationsverfahren ausgebildet, und die Aluminiumverbindungen 22 werden durch Kontaktätzen hergestellt.

Im Betrieb der Photodiode nach den Fig. 1 und 2 werden beide PN-Übergänge 13 und 17 in Sperrichtung vorgespannt. Wenn die von dem dünnen Oxydfilm 20 bedeckte Fläche beleuchtet wird, dann werden in dem Halbleiterelement Elektronen- und Loch-Paare erzeugt. Wenn man die Lichtintensität mit R bezeichnet und der
Lichtdämpfungskoeffizient α ist, dann ist die Dichte der Elektronenpaare oder der Löcherpaare in einer Tiefe X unter der Oberfläche des Halbleiterelements proportional zu Rexp(-α X). Die Elektronenpaare und Löcherpaare, die innerhalb der Diffusionsentfernung von einem PN-Übergang erzeugt werden, tragen zum Ausgangsstrom bei. In dem Halbleiterelement nach den Fig. 1 und 2, bei dem der PN-Übergang 17 in sehr kurzer Entfernung unter der Oberfläche zusätzlich zum PN-Übergang 13 in einer Tiefe von etwa 10 µm vorhanden ist, ist der Wandlerwirkungsgrad erheblich gesteigert.

Fig. 3 zeigt beispielsweise den Aufbau einer üblichen Photodiode, an der die oben beschriebene Verbesserung nach der vorliegenden Erfindung vorgenommen wird. Bei der üblichen Photodiode ist in der Oberfläche des Inselbereiches 12 a vom n^--Typ keine p-Schicht ausgebildet, und die Oberfläche des Inselbereiches 12 a vom n^--Typ ist vollständig von dem relativ dicken Feldoxydfilm 20 A bedeckt. Mit anderen Worten, bei der photoempfindlichen Fläche des üblichen Halbleiterelements ist nur ein einziger PN-Übergang 13 in einer Tiefe von etwa 10 µm unter der Oberfläche, auf die das Licht einfällt, vorhanden.

Um einen Vergleich zu erläutern, das Halbleiterelement nach den Fig. 1 und 2 und das bekannte Element nach Fig. 3 wurden auf identische Weise erzeugt, mit der Ausnahme, daß die dünne Schicht 18 vom p-Typ und der dünne Oxydfilm 20 zusätzlich hergestellt wurden. Bei beiden Halbleiterelementen hatte die Epitaxialschicht 12 vom n^--Typ eine Dicke von 10 µm und einen Widerstand von 1 Ω · cm. Wenn man beide Halbleiterelemente Infrarotstrahlung einer Wellenlänge von 840 nm aussetzte, dann betrug der Ausgangsstrom des bekannten Halbleiterelements 0,2 µA pro µW, während der Ausgangsstrom des Halbleiterelements nach der vorliegenden Erfindung 0,34 µA pro µW betrug. Es zeigt sich hieraus, daß das Halbleiterelement nach der vorliegenden Erfindung etwa 1,7-mal empfindlicher war.

Zur maximalen Verbesserung der Empfindlichkeit ist es günstig, die Fläche des dünnen Bereiches 18 vom p-Typ so zu vergrößern, daß er fast die gesamte Fläche des Inselbereiches 12 a vom n^--Typ einnimmt mit der Ausnahme der Fläche für den Emitterdiffusionsbereich 16 vom n⁺-Typ.

Fig. 4 zeigt eine Halbleitereinrichtung auf einem einzelnen Chip, die als Photodetektor dient und die eine Photodiode 100 des Aufbaues nach den Fig. 1 und 2 zeigt, die zusammen mit einem Junction-FET (JFET) 110 integriert ist, der eine Sperrspannung an die Photodiode 100 legt und ihren Ausgang verstärkt.

In der Halbleitereinrichtung nach Fig. 4 sind das Siliziumsubstrat 10 vom p-Typ und die Epitaxialschicht 12 vom n^--Typ für die Photodiode 100 und den JFET 110 gemeinsam. Im JFET-Teil 110 wird ein Inselbereich 12 b der n^--Schicht 12 durch diffundierte Isolationsbereiche 14 vom p⁺-Typ definiert. Im Inselbereich 12 b ist eine verdeckte Schicht 26 vom n⁺-Typ. Ein schmaler Emitterdiffusionsbereich 28 vom n⁺-Typ und
Diffusionsstreifenbereiche 30 vom p-Typ sind in der Oberfläche ausgebildet. In der Oberfläche des Bereiches zwischen den p-Streifen 30 ist ein dünner Laminarbereich 18 A vom p-Typ ähnlich zum dünnen Laminarbereich 18 vom p-Typ bei der Photodiode 100 durch Ionenimplantation von Bor ausgebildet. In diesem Bereich ist die Oberfläche mit einem dünnen Oxydfilm 20 bedeckt. Bei diesem JFET 110 wird die Epitaxialschicht 12 vom n^--Typ das Gate, und die zwei Streifen 30 vom p-Typ werden als Source und als Drain verwendet. Der dünne Bereich 18 A vom p-Typ bildet einen Kanal. Mit 32 ist ein Stromanschluß bezeichnet, während mit 34 ein Ausgangsanschluß bezeichnet ist. Diese integrierte Halbleitereinrichtung nach Fig. 4 kann in einem üblichen Bipolarverfahren hergestellt werden.

Bei der Halbleitereinrichtung nach Fig. 4 wird der JFET-Teil 110 dazu verwendet, die Photodiode 100 mit einem konstanten Mikro-Belastungsstrom in Sperrichtung vorzuspannen. Weiterhin dient der JFET-Teil 110 der Verstärkung und der Umsetzung des Ausgangsstroms der Photodiode 100 derart, daß ein "0"-Signal oder ein "1"-Signal am Ausgangsanschluß 34 erscheinen, je nachdem, ob der von einfallendem Licht hervorgerufene Ausgang unterhalb oder oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertpegels liegt.

Claims

1. Photodiode aus einem Halbleitersubstrat vom ersten Leitfähigkeitstyp, einer Halbleiterschicht vom entgegengesetzten, zweiten Leitfähigkeitstyp auf einer Hauptfläche des Substrats, einem ersten diffundierten Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps, der in der Halbleiterschicht über deren gesamte Dicke derart ausgebildet ist, daß ein Inselbereich der Halbleiterschicht von dem ersten diffundierten Bereich umgeben ist, und einem zweiten diffundierten Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, der zur Verwendung als eine Elektrode in einem Oberflächenbereich einer ausgewählten Fläche des Inselbereiches ausgebildet ist, wobei der PN-Übergang zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Inselbereich der Halbleiterschicht im Betrieb in Sperrichtung vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner laminarer Bereich (18) vom ersten Leitfähigkeitstyp in der Oberfläche eines Hauptbereiches des Inselbereiches (12 a) ausgebildet ist.

2. Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne laminare Bereich (18) durch Ionenimplantation ausgebildet ist.

3. Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner Oxydfilm (20) auf der Oberfläche des Inselbereiches (12 a) ausgebildet ist, der den dünnen laminaren Bereich (18) bedeckt.

4. Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine epitaxial aufgewachsene Schicht (12) ist.

5. Photodetektor-Halbleitereinrichtung, enthaltend:
ein Halbleitersubstrat (10) vom ersten Leitfähigkeitstyp;
eine Halbleiterschicht (12) vom entgegengesetzten, zweiten Leitfähigkeitstyp, der auf einer Hauptfläche (13) des Substrats (10) ausgebildet ist;
ein Photodiodenteil (100), bestehend aus einem ersten Bereich des Laminats aus dem Substrat (10) und der Halbleiterschicht (12), einem ersten diffundierten Bereich (14) des ersten Leitfähigkeitstyps, der in der Halbleiterschicht (12) durch deren gesamte Dicke in einem solchen Muster ausgebildet ist, daß ein Inselbereich (12 a) der Halbleiterschicht (12) von dem ersten diffundierten Bereich (14) umgeben ist, einem zweiten diffundierten Bereich (16) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der zur Verwendung als eine Elektrode in einem Oberflächenbereich einer ausgesuchten Fläche des Inselbereiches (12 a) ausgebildet ist, und einem dünnen laminaren Bereich (18) des ersten Leitfähigkeitstyps, der in der Oberfläche eines Hauptbereiches des Inselbereiches (12 a) ausgebildet ist; und
einen Junction-Feldeffekttransistor(JFET)-Teil (110), bestehend aus einem zweiten Bereich des Laminats aus dem Substrat (10) und der Halbleiterschicht (12), einem diffundierten Sourcebereich (30) des ersten Leitfähigkeitstyps, der in einem Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (12) ausgebildet ist, einem diffundierten Drainbereich (30) des ersten Leitfähigkeitstyps, der in einem Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (12) ausgebildet ist, und einem Kanalbereich (18 A) des ersten Leitfähigkeitstyps, der in der Oberfläche des Halbleiters in einem Bereich zwischen dem Sourcebereich (30) und dem Drainbereich (30) ausgebildet ist, wobei der JFET-Teil (110) elektrisch mit dem Photodiodenteil (100) derart verbunden ist, daß im Betrieb der JFET-Teil (110) einen PN-Übergang zwischen dem Substrat (10) und dem Inselbereich (18 A) der Halbleiterschicht (12) und einen weiteren PN-Übergang zwischen dem dünnen laminaren Bereich (18 A) und dem Inselbereich (12 a) der Halbleiterschicht (12) sperrt und den Ausgangsstrom des Photodiodenteils (100) verarbeitet.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne laminare Bereich (18 A) durch Ionenimplantation erzeugt ist.