DE3637817C2

DE3637817C2 -

Info

Publication number: DE3637817C2
Application number: DE3637817A
Authority: DE
Inventors: Hideo Yokohama Jp 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: 1992-07-16
Also published as: DE3637817A1; US4920395A; JPS62109376A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hochempfindlichen Halbleiterphotodetektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher ist z. B. aus Patent Abstracts of Japan, Sect. E, Voi. 6 (1982), Nr. 259 (E-149), bekannt und in Fig. 1 und 2 dargestellt.

Aus der JP-53-90 A2 ist es bekannt, eine Photodiode und einen JFET als Verstärkungstransistor miteinander integriert auszubilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterphotodetektor der eingangs genannten Art anzugeben, der bei einfacher Herstellung eine hohe Empfindlichkeit aufweist, und der ein logisches Signal an seinem Ausgangsanschluß abgibt, je nachdem, ob die Bestrahlung oberhalb oder unterhalb eines Schwellenwertpegels liegt. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der Herstellung 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 Ausschußanteil ab und die Produktionskosten werden geringer. Außerdem zeigen die hergestellten Produkte ein verbessertes Verhalten, da ein gutes Signal/Stör-Verhältnis erzielt werden kann. Ein solcher integrierter Photodetektor auf einem einzelnen Chip, der eine Photodiode und einen JFET enthält, der eine Sperrspannung an die Photodiode in einer konstanten Mikrostrombetriebsart anlegt und den Ausgang der Photodiode verstärkt, kann 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, welche im Halbleiterphotodetektor gemäß Fig. 3 Verwendung findet;

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

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Beispiel eines Halbleiterphotodetektors in integrierter Bauart.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Photodiode, wie sie bei der vorliegenden Erfindung Verwendung findet. Bei diesem Bauelement ist eine Halbleiter-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 ersten diffundierten Bereich 14 vom p⁺-Typ umgewandelt, so daß ein Inselbereich 12a der n⁻-Schicht 12 von dem Bereich 14 vom p⁺-Typ umgeben ist. In der Oberfläche eines ausgewählten Randbereiches des Inselbereiches 12a ist ein schmaler und relativ dünner zweiter diffundierter Bereich 16 vom n⁺-Typ ausgebildet. In der Oberfläche eines Hauptbereiches des Inselbereiches 12a ist ein dünner laminarer Bereich 18 vom p-Typ ausgebildet, und die Oberfläche dieser p-Schicht 18 ist von einem dünnen Oxidfilm 20 bedeckt. Beispielsweise beträgt die Dicke dieses Oxidfilms 20 etwa 0,1 µm. Die übrige Oberfläche des Halbleiterelements ist mit einem relativ dicken Feldoxidfilm 20A bedeckt, der örtlich abgetragen ist, um Durchgänge für Aluminiumanschlüsse 22 auszubilden. Bei der so aufgebauten Photodiode besteht ein PN-Übergang 17 zwischen dem dünnen laminaren Bereich 18 vom p-Typ und dem Inselbereich 12a vom n⁻-Typ zusätzlich zu dem PN-Übergang 13 zwischen dem Halbleitersubstrat 10 vom p-Typ und der Epitaxialschicht 12 vom n -Typ. Bei diesem Halbleiterelement werden der zweite diffundierte Bereich 16 vom n⁺-Typ als Kathode und der erste diffundierte Bereich 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 Halbleiterschicht 12 vom n⁻-Typ. Sodann wird eine Verunreinigungsdiffusion vom p-Typ ausgeführt, um den ersten diffundierten Bereich 14 auszubilden, und dann wird eine Verunreinigungsdiffusion vom n-Typ ausgeführt, um den zweiten diffundierten Bereich 16 auszubilden. Anschließend wird auf der gesamten Oberfläche der Feldoxidfilm 20A hergestellt. Nachfolgend wird der dünne Oxidfilm 20 durch Ätzen in dem ausgewählten Hauptbereich des Inselbereichs 12a 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 Oxidfilm 20 durch ein Naßoxidationsverfahren ausgebildet, und Durchgänge für die Aluminiumanschlüsse 22 werden durch Kontaktätzen hergestellt.

Im Betrieb dieser Photodiode werden beide PN-Übergänge 13 und 17 in Sperrichtung vorgespannt. Wenn die von dem dünnen Oxidfilm 20 bedeckte Fläche beleuchtet wird, dann werden in dem Halbleiterelement Elektronen- und Loch-Paare erzeugt. Wenn man die Lichtintensität mit Φ 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 Φexp(-αX). Die Elektronenpaare und Löcherpaare, die innerhalb der Diffusionsentfernung zu einem PN-Übergang erzeugt werden, tragen zum Ausgangsstrom bei. In diesem Halbleiterelement, 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 eine Halbleitereinrichtung auf einem einzelnen Chip, die als Photodetektor dient und die eine Photodiode 100 des eben beschriebenen Aufbaues 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. 3 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 12b der n⁻-Schicht 12 durch erste diffundierte Bereiche 14 vom p⁺-Typ definiert. Im Inselbereich 12b ist eine verdeckte Schicht 26 vom n⁺-Typ. Ein schmaler Emitterdiffusionsbereich 28 vom n⁺-Typ und Diffusionsstreifenbereich 30 vom p-Typ sind in der Oberfläche ausgebildet. In der Oberfläche des Bereiches zwischen den diffundierten Bereichen 30 ist ein dünner Kanalbereich 18A 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 Oxidfilm 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. Mit 32 ist ein Stromanschluß bezeichnet, während mit 34 ein Ausgangsanschluß bezeichnet ist. Diese integrierte Halbleitereinrichtung nach Fig. 3 kann in einem üblichen Bipolarverfahren hergestellt werden.

Bei der Halbleitereinrichtung nach Fig. 3 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. Halbleiterphotodetektor mit einer Photodiode (100) aus einem Halbleitersubstrat (10) vom ersten Leitfähigkeitstyp, einer Halbleiterschicht (12) vom entgegengesetzten, zweiten Leitfähigkeitstyp auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats (10), einem ersten diffundierten Bereich (14) des ersten Leitfähigkeitstyps, der in der Halbleiterschicht (12) über deren gesamte Dicke derart ausgebildet ist, daß ein Inselbereich (12a) der Halbleiterschicht (12) von dem ersten diffundierten Bereich (14) umgeben ist, und einem zweiten diffundierten Bereich (16) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der zur Verwendung als eine Elektrode in einem Oberflächenbereich einer ausgewählten Fläche des Inselbereichs (12a) ausgebildet ist, wobei ein erster PN-Übergang (13) zwischen dem Halbleitersubstrat (10) und dem Inselbereich (12a) der Halbleiterschicht im Betrieb in Sperrichtung vorgespannt ist, mit einem dünnen laminaren Bereich (18) vom ersten Leitfähigkeitstyp in der Oberfläche eines Hauptbereiches des Inselbereiches (12a), welcher einen zusätzlichen PN-Übergang (17) ausbildet, der vom ersten PN-Übergang (13) getrennt und entfernt sehr nahe zur Lichteinfallsfläche liegt und im Betrieb in Sperrichtung vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der dünne laminare Bereich (18) weniger als 1 µm dick ist,
b) daß der erste PN-Übergang (13) in einer Tiefe von etwa 10 µm, gerechnet von der Lichteinfallsfläche, liegt,
c) daß auf der Hauptfläche des Substrates in der Halbleiterschicht (12) ein weiterer Inselbereich (12b) ausgebildet ist, der einen Junction-Feldeffekttransistor (JFET)-Teil (110) ausbildet, enthaltend je einen diffundierten Sourcebereich (30), einen diffundierten Drainbereich (30) vom ersten Leitfähigkeitstyp in Oberflächenbereichen des weiteren Inselbereiches (12b) der Halbleiterschicht (12) und einen Kanalbereich (18A) vom ersten Leitfähigkeitstyp, der zwischen dem Sourcebereich (30) und dem Drainbereich liegt,
d) daß der Kanalbereich (18A) in der gleichen Tiefe liegt und die gleiche Dicke hat, wie der dünne laminare Bereich (18) der Photodiode,
e) wobei der JFET-Teil (110) elektrisch mit dem Photodiodenteil so verbunden ist, daß im Betrieb des Halbleiterphotodetektors der JFET-Teil (110) dem Photodiodenteil (100) einen konstanten Strom zuführt, um die PN-Übergänge (13, 17) desselben in Sperrichtung vorzuspannen und wobei der JFET-Teil (110) den Ausgangsstrom des Photodiodenteils (100) mit einem Schwellwert vergleicht.

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

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

4. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalbereich (18A) durch Ionenimplantation ausgebildet ist.