DE112014000624T5 - Fotodioden-Anordnung mit einer ladungsabsorbierenden dotierten Zone - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fotodioden-Anordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei die Anordnung eine Kathode aufweist, die mindestens eine Substratschicht (4) eines Materials aus der Indiumphosphid-Familie und eine aktive Schicht (5) eines Materials aus der Indiumgalliumarsenid-Familie aufweist; und wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie außerdem mindestens zwei Arten dotierter Zonen des gleichen Typs aufweist, die mindestens teilweise in der aktiven Schicht (5) gebildet sind, nämlich erste dotierte Zonen (3), die zusammen mit der Kathode Fotodioden für die Bilderzeugung bilden, und mindestens eine zweite dotierte Zone (8), die überschüssige Ladungsträger absorbiert, um sie abfließen zu lassen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft Fotodioden-Anordnungen und insbesondere Fotodioden-Anordnungen, die Schichten eines Indiumgalliumarsenid-Materials (InGaAs) und Indiumphosphid-Materials (InP) aufweisen, und ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Eines der Verfahren zur Herstellung einer Fotodioden-Anordnung unter Verwendung von Halbleitermaterialien mit schmaler Bandlücke (oftmals für Detektion von Infrarotlicht) ist, die aktive Detektionsschicht mit schmaler Bandlücke zwischen zwei Halbleitermaterialien mit breiter Bandlücke anzuordnen. Die beiden Halbleiterschichten mit breiter Bandlücke stellen eine effiziente Schutz- und Passivierungsfunktion bereit und sind zugleich transparent für die Strahlungswellenlänge, die von den Fotodioden detektiert werden soll.
  • Mit einer geeigneten Dotierung versehen, schließen die zwei Heterojunction-Kontaktflächen zwischen der aktiven Schicht und den zwei Schutz/Passivierungsschichten zudem die fotoelektrischen Ladungen innerhalb der aktiven Detektionsschicht ein und verbessern die Quantenausbeute der auf diese Weise gebildeten Fotodiode.
  • Eine InGaAs-Fotodiode ist ein typisches Beispiel dieser physikalischen Struktur. Die aus einem InGaAs-Material gebildete aktive Detektionsschicht kann eine anpassbare Bandlücke als Funktion der Indium- und Gallium-Zusammensetzung des InGaAs-Materials haben, ideal für einen Betrieb in dem SWIR-Band (SWIR: Short Wave InfraRed, kurzwelliges Infrarot) in der Größenordnung von 1,4 bis 3 μm.
  • Indiumphosphid und Indiumgalliumarsenid haben die gleiche kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur. Die am häufigsten verwendete Zusammensetzung ist In0,53Ga0,47As. Die Größe des Kristallgitters ist dann vergleichbar mit demjenigen des InP-Substrats, insbesondere die Gitterparameter. Diese Kristallkompatibilität erlaubt ein epitaktisches Aufwachsen einer aktiven InGaAs-Schicht in ausgezeichneter Qualität auf einem InP-Substrat. Die Bandlücke von In0,53Ga0,47As ist ungefähr 0,7 eV und erlaubt eine Detektion von Strahlung bis zu einer Wellenlänge von 1,68 μm im SWIR-Band. Dies ist von zunehmendem Interesse in Anwendungsbereichen wie Spektrometrie, Nachtsicht, das Sortieren von Kunststoffabfall usw.
  • Die beiden Schutz/Passivierungsschichten bestehen allgemein aus InP. Die Tatsache, dass das Kristallgitter der In0,53Ga0,47As Zusammensetzung und das Kristallgitter von InF gleiche Größe haben, erlaubt insbesondere einen sehr niedrigen Dunkelstrom bereits bei Umgebungstemperatur und danach (darunter).
  • 1 zeigt die physikalische Struktur einer Fotodioden-Anordnung 1. Eine aus InGaAs gebildete aktive Schicht 5 ist zwischen zwei InP-Schichten angeordnet. Die untere Schicht bildet das Substrat 4, auf welchem die InGaAs-Schicht mittels komplexer MO-CVD-Epitaxie aufgebracht worden ist. Diese InGaAs-Schicht wird von einer aus InF bestehenden dünnen Passivierungsschicht 6 geschützt, die ebenfalls durch Epitaxie abgeschieden worden ist. Allgemein sind die InP-Schichten vom N-Typ und mit Silizium dotiert. Die aktive InGaAs-Schicht 5 kann schwach N-dotiert sein oder sie kann quasi-intrinsisch bleiben. Daher bilden die beiden InP-Schichten, d. h. die obere und die untere, und die aktive InGaAs-Schicht 5 die gemeinsame Kathode der Fotodioden dieser Anordnung.
  • Die einzelnen Anoden 3 sind durch lokale Diffusion von Zink (Zn) gebildet worden. Das Dotierungselement Zn ist durch die dünne InP-Passivierungsschicht 6 hindurch in die aktive InGaAs-Schicht 5 eingedrungen.
  • 2 zeigt einen InGaAs-Bildsensor, der aus einer Anordnung 1 von InGaAs-Fotodioden besteht, die auf Flip-Chip-Weise mit einer Ausleseschaltung 2 verbunden ist. In einer InGaAs-Sensoranordnung ist die Fotodioden-Anordnung mit einer im Allgemeinen aus Silizium gebildeten Ausleseschaltung verbunden, um die von diesen InGaAs-Fotodioden erzeugten fotoelektrischen Signale auszulesen. Bei Verwendung der Flipchip-Technik wird diese Verbindung im Allgemeinen über Indium-Perlen 8 erzielt, wie in 2 gezeigt ist. SWIR-Strahlung 9 erreicht die Fotodioden-Anordnung nach Durchqueren des Indiumphosphid-Substrats 4, das in diesem optischen Band transparent ist.
  • Mit einem im Integrationsmodus arbeitenden Detektor wird ein Ausgangssignal gewonnen, das proportional zum Produkt aus Fluss und Belichtungszeit ist. Jedoch wird das Ausgangssignal (der Pegel des Ausgangssignals) von der maximalen Integrationskapazität des Detektors begrenzt. Für sehr kontrastreiche Szenen ist es oft unmöglich, eine gute Wiedergabe von dunklen Gebieten zu bekommen und zugleich die hellen Gebiete sättigungsfrei zu halten. Dies ist umso problematischer für Nachtsichtanwendungen, wofür eine Sensoranordnung mit InGaAs-Fotodioden oft vorgesehen ist.
  • In dem Dokument EP1354360 ist eine andere allgemeine Methode zum Auslesen der fotoelektrischen Fotodioden-Signale vorgelegt, deren Prinzip in 3 der beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht ist. Das Dokument EP1354360 schlägt eine Solarzellen-Funktionsweise einer Fotodiode 51 vor, um eine logarithmische Antwort als Funktion der Intensität der einfallenden optischen Strahlung 59 zu gewinnen.
  • Mit dieser Funktionsweise empfangt die Fotodiode 51 keine externe Polarisation und wird durch die fotoelektrischen Ladungen, die an ihrer Kontaktfläche entstehen, vorwärts polarisiert. Diese an der Fotodiode beobachtete Vorwärtspolarisationsspannung ist proportional zum Logarithmus des einfallenden optischen Flusses.
  • Diese logarithmische Antwort erlaubt, ohne irgendeine elektrische und optische Anpassung (Nachregelung), die Abdeckung eines dynamischen Arbeitsbereichs von mehr als 120 dB, der für eine Verwendung eines InGaAs-SWIR-Sensors unter natürlichen Außenbedingungen unbedingt notwendig ist. Das Dokument EP1354360 schlägt auch vor, eine geschaltete Ausleseschaltung 55 mit der Fotodiode zu verbinden.
  • Das Verwendungsprinzip der in 3 gezeigten Bildsensor-Anordnung ist wie folgt:
    • a) Das Auswahlsignal SEL wird aktiviert, um durch Schließen des Schalters 54 die gewünschte Fotodiode 51 auszuwählen. Sobald diese Fotodiode ausgewählt ist, wird das erste Auslesesignal RD1 aktiviert, das zum Zwecke der Speicherung der Spannungen einer ersten Auslesung in dem Speicher 56 den entsprechenden gesteuerten Schalter schließt. Diese erste Auslesung zeichnet sowohl das Bild wie auch das gleichbleibende Musterrauschen auf.
    • b) Dann wird das Rücksetzsignal RSI aktiviert, das ein Schließen des Schalters 53 bewirkt. Die Fotodiode wird dadurch kurzgeschlossen, ein Referenzbild absoluter Dunkelheit wird dadurch simuliert.
    • c) Dann wird das erste Auslesesignal RD1 deaktiviert, um den entsprechenden Schalter wieder zu öffnen, und wird das zweite Auslesesignal RD2 aktiviert, um in dem Speicherelement 57 die Spannungen der zweiten Auslesung aufzuzeichnen. Auf diese Weise ist ausschließlich das gleichbleibende Musterrauschen gespeichert worden.
    • d) Die Differenz zwischen den beiden resultierenden Speicherinhalten, die in dem Speicherelement 56 bzw. 57 enthalten sind, wird mit Hilfe eines Differenzverstärkers 58 berechnet. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 58 entspricht dann einem Bild, das frei von gleichbleibendem Musterrauschen ist.
  • Mit Hilfe der zweiten Auflesung wird eine Nullspannung, die dem Dunkelheitszustand entspricht, erzeugt. Dieses elektronische Dunkelheitssignal erlaubt die Detektion von Signaloffsets in der Auslesekette einer Detektoranordnung.
  • Das in der EP1354360 vorgeschlagene Prinzip wurde in einem InGaAs-Sensor angewendet und funktioniert perfekt. Jedoch wurde in Tageslichtszenen ein sogenanntes Blooming-Phänomen (Blooming: heller Bereich um eine lokale Überbelichtung) beobachtet. Dieses Phänomen lässt sich einfach als Verlust an räumlicher Auflösung in einem Bild beschreiben. Der Detektor bleibt nichtsdestoweniger empfindlich für Lichtveränderungen gemäß dem logarithmischen Gesetz.
  • Die französische Patentanmeldung Nr. 1156290 schlägt eine elektrische Isolierung durch Ätzen um jede Fotodiode vor. Mit dieser Herangehensweise ist es möglich, eine wirkungsvolle Unterdrückung dieses Blooming-Phänomens zu erzielen, aber auf Kosten eines sehr starken Dunkelstroms in den Fotodioden, der auf Defekte, die durch dieses Ätzen erzeugt wurden, zurückzuführen ist. Ein anderes Problem mit dieser Herangehensweise ist die Tatsache, dass der Schritt des Ätzens und der Schritt der Fotodiode-Anodendiffusion zwei separate Schritte im Fertigungsprozess sind, die unterschiedliche Masken benötigen. Maskenausrichtungsfehler können zusätzliche Inhomogenitäten zwischen den Fotodioden einer Anordnung erzeugen.
  • Vorstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schlägt eine andere Lösung vor, die sowohl einfach wie auch wirkungsvoll ist, um dieses Blooming-Phänomen in einer InGaAs-Fotodioden-Anordnung zu beseitigen. Die von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Lösung erlaubt auch eine Verbesserung der Bildqualität eines herkömmlichen Detektors im Integrationsmodus.
  • Zu diesem Zweck ist eine Fotodioden-Anordnung vorgeschlagen, die aufweist:
    • – eine Kathode, die mindestens eine Substratschicht eines Materials aus der Indiumphosphid-Familie und eine aktive Schicht eines Materials aus der Indiumgalliumarsenid-Familie aufweist; und
    • – mindestens zwei Arten dotierter Zonen des gleichen (Dotierungs)Typs, die mindestens teilweise in der aktiven Schicht gebildet sind:
    • • erste dotierte Zonen, die zusammen mit der Kathode Fotodioden für die Bilderzeugung bilden;
    • • mindestens eine zweite dotierte Zone, die überschüssige Ladungsträger absorbiert, um sie abfließen zu lassen.
  • Vorteilhaft vervollständigen die folgenden Merkmale, jedes für sich allein oder mehrere in beliebiger technisch möglicher Kombination, die Fotodioden-Anordnung der Erfindung:
    • – Polarisationsmittel halten die zweite dotierte Zone auf einem elektrischen Potential, das gleich oder niedriger als das niedrigste Potential der ersten dotierten Zonen ist;
    • – das Potential der zweiten dotierten Zone wird als Funktion des an der Fotodioden-Anordnung herrschenden Belichtungspegels moduliert;
    • – die ersten dotierten Zonen und die zweite dotierte Zone haben den gleichen Dotierungsgrad in der gleichen Tiefe;
    • – die zweite dotierte Zone ist zwischen mindestens einigen der ersten dotierten Zonen angeordnet;
    • – die zweite dotierte Zone umgibt einige erste dotierte Zonen einzeln;
    • – die zweite dotierte Zone bildet ein Gittermuster zwischen einigen ersten dotierten Zonen;
    • – mehrere zweite dotierte Zonen sind parallel zueinander verteilt und eingefügt zwischen einigen ersten dotierten Zonen angeordnet;
    • – die zweite dotierte Zone ist von den ersten dotierten Zonen durch einen ausreichenden Abstand (Zwischenraum) getrennt, so dass die zugehörigen Raumladungszonen der zweiten dotierten Zone bzw. der ersten dotierten Zonen voneinander getrennt sind;
    • – ein Metallgitter an der Oberfläche der Anordnung verbindet verschiedene Punkte der zweiten dotierten Zone oder Zonen, um das elektrische Potential der zweiten dotierten Zone(n) einheitlich zu machen.
  • Die Erfindung betrifft außerdem einen Bildsensor, der eine Fotodioden-Anordnung gemäß dem ersten Aspekt aufweist. Vorzugsweise ist die Ausleseschaltung eine logarithmische Schaltung.
  • Außerdem ist ein Verfahren zur Herstellung einer Fotodioden-Anordnung vorgeschlagen, wobei die Anordnung aufweist:
    • – eine Kathode, die mindestens eine Substratschicht eines Materials aus der Indiumphosphid-Familie und eine aktive Schicht eines Materials aus der Indiumgalliumarsenid-Familie aufweist; und
    • – mindestens zwei Arten dotierter Zonen des gleichen Typs, die mindestens teilweise in der aktiven Schicht gebildet sind:
    • • erste dotierte Zonen, die zusammen mit der Kathode Fotodioden für die Bilderzeugung bilden;
    • • mindestens eine zweite dotierte Zone, die von den Fotodioden emittierte Ladungsträger absorbiert;
    wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die ersten dotierten Zonen und die mindestens eine zweite dotierte Zone in ein und demselben selektiven Dotierungsschritt hergestellt werden.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung besser ersichtlich. Die Erfindung wird auch besser verständlich mit Bezug auf diese Beschreibung in Zusammenschau mit den beiliegenden Zeichnungen, die als nichteinschränkende Beispiele vorgelegt sind:
  • 1, wie bereits besprochen, ist eine schematische Darstellung der Struktur einer InGaAs-Fotodioden-Anordnung vom Stand der Technik;
  • 2, wie bereits besprochen, veranschaulicht einen InGaAs-Bildsensor, der aus einer InGaAs-Fotodioden-Anordnung besteht, die in Flipchip-Weise mit einer Ausleseschaltung auf Silizium-Substrat verbunden ist;
  • 3, wie bereits besprochen, ist ein Prinzipschaltbild eines logarithmischen Sensors mit Fotodioden im Solarzellen-Modus;
  • 4 zeigt verschiedene Kontaktflächen in einer Fotodioden-Anordnung vom Stand der Technik;
  • 5 ist eine Querschnittansicht einer Fotodioden-Anordnung gemäß der Erfindung, wobei verschiedene Kontaktflächen dargestellt sind;
  • 6 bis 8 sind Ansichten von oben auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung;
  • 9 ist ein Flussdiagramm, das Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In Strukturen vom Stand der Technik, wie in 1 dargestellt, lässt sich feststellen, dass jede Fotodiode mehrere PN-Kontaktflächen (PN-Übergänge) aufweist, davon einen gewünschten und eine gewisse Anzahl parasitäre. Diese PN-Kontaktflächen sind in 4 dargestellt. Die PN-Kontaktflächen 31 zwischen den Anoden 3 und der aktiven Schicht 5 sind gewünscht und bilden die Dioden der Fotodioden-Anordnung.
  • Die parasitären lateralen PN-Kontaktflächen 32 zwischen den Anoden 3 und der Passivierungsschicht 6 bilden einen möglichen elektrischen Pfad zwischen benachbarten Fotodioden über die Passivierungsschicht.
  • Eine herkömmliche Ausleseschaltung integriert in einem Kondensator den Rückwärtsstrom in der Fotodiode dadurch, dass eine Rückwärtspolarisation (an die Fotodiode) angelegt wird. In dieser Konfiguration sind damit zugleich auch die parasitären lateralen Kontaktflächen 32 in den Fotodioden rückwärtspolarisiert, mit dem Effekt, dass in dem Integrationskondensator ein zusätzlicher parasitärer Strom hinzukommt. Dieser parasitäre Strom verschlechtert die Bildqualität, erzeugt aber so gut wie keinen Crosstalk-Effekt zwischen benachbarten Fotodioden. Diese parasitären Ströme können durch komplexes Verarbeiten des aus der Ausleseschaltung ausgegebenen Rohbildes teilweise kompensiert werden.
  • Wenn eine Fotodiode im Solarzellen-Modus arbeitet, wird die Kontaktfläche durch einfallendes Licht vorwärtspolarisiert. In diesem Fall werden auch die parasitären lateralen Kontaktflächen 32 vorwärtspolarisiert und bilden einen Pfad für einen elektrischen Strom zwischen benachbarten Fotodioden. Diese Vorwärtspolarisation wird umso größer je mehr die einfallende optische Intensität zunimmt, wodurch ein Blooming-Effekt entsteht, der die räumliche Auflösung des Sensors beträchtlich verschlechtert.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt eine Struktur vor, mit welcher es möglich ist, die laterale Leitfähigkeit in einer InGaAs-Fotodioden-Anordnung zu verringern. Eine gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Fotodioden-Anordnung kann in einem Solarzellen-Modus betrieben werden, wie in dem Dokument EP1354360 beschrieben, ohne Verlust an räumlicher Auflösung, selbst bei Vorhandensein starker optischer Intensitäten. Eine solche Anordnung liefert auch eine verbesserte Bildqualität bei Verwendung einer herkömmlichen Ausleseschaltung im Integrationsmodus, wie beispielsweise die verschiedenen Ausleseschaltungen CMOS ISC9705 und ISC9809, die in den USA von der Firma Indigo/FLIR vermarktet werden. Die ISC9705-Schaltung integriert den fotoelektrischen Strom einer Fotodiode direkt an einem Kondensator (direkter Injektionsmodus) und die ISC9809-Schaltung integriert den fotoelektrischen Strom über einen Operationsverstärker (CTIA-Modus). Der CTIA-Modus erlaubt einen höheren Gewinn bei der Ladung-Spannung-Umwandlung, was die Detektionsempfindlichkeit verbessert.
  • Mit Bezug auf 5 bis 9 weist eine Fotodioden-Anordnung eine Kathode auf, die mindestens eine Substratschicht 4 eines Materials aus der Indiumphosphid-Familie und eine aktive Schicht 5 eines Materials aus der Indiumgalliumarsenid-Familie aufweist.
  • Eine Passivierungsschicht 6, z. B. eines Materials aus der Indiumphosphid-Familie, ist oberhalb der aktiven Indiumgalliumarsenid-Schicht 5 bereitgestellt.
  • Unter einem Material aus der Indiumphosphid-Familie ist ein Halbleitermaterial zu verstehen, das hauptsächlich, oder sogar ausschließlich, aus Indiumphosphid und optional aus anderen Komponenten in einer viel geringeren Menge, z. B. Dotierungselementen, besteht. Dieses Material ist daher nach seiner Hauptkomponente, d. h. Indiumphosphid oder InP, benannt.
  • Ebenso ist unter einem Material aus der Indiumgalliumarsenid-Familie ein Halbleitermaterial zu verstehen, das hauptsächlich, oder sogar ausschließlich, aus Indiumgalliumarsenid und optional aus anderen Komponenten in einer viel geringeren Menge, z. B. Dotierungselementen, besteht. Dieses Material ist daher nach seiner Hauptkomponente, d. h. Indiumgalliumarsenid oder InGaAs, benannt.
  • Die Fotodioden-Anordnung weist außerdem mindestens zwei Arten dotierter Zonen des gleichen Typs auf, die mindestens teilweise in der aktiven Schicht 5 gebildet sind:
    • • erste dotierte Zonen 3, die zusammen mit der Kathode Fotodioden für die Bilderzeugung bilden;
    • • mindestens eine zweite dotierte Zone 8, die überschüssige Ladungsträger absorbiert, um sie abfließen zu lassen.
  • Mehrere zweite dotierte Zonen 8 können bereitgestellt sein, um überschüssige Ladungsträger zu absorbieren, um sie aus der Fotodioden-Anordnung abfließen zu lassen.
  • Die beiden Arten dotierter Zonen sind also vom gleichen Typ, d. h. N-Typ oder P-Typ. Einfachheitshalber soll hier der Fall vorgestellt werden, in welchem die zwei Arten dotierter Zonen vom P-Typ sind. Vorzugsweise haben die ersten dotierten Zonen 3 und die zweite dotierte Zone 8 den gleichen Dotierungsgrad in der gleichen Tiefe.
  • Die InP-Schichten sind folglich vom N-Typ, d. h. mit Silizium dotiert. Die aktive InGaAs-Schicht 5 kann schwach N-dotiert sein oder kann quasi-intrinsisch bleiben. Daher bilden die beiden InP-Schichten, d. h. die untere und obere InP-Schicht, und die aktive InGaAs-Schicht 5 die gemeinsame Kathode der Fotodioden in dieser Anordnung.
  • Die ersten dotierten Zonen 3 bilden mehrere Anoden, die mindestens teilweise in der aktiven Schicht 5 gebildet sind, wobei das Zusammenwirken einer Anode und der Kathode eine Fotodiode bildet.
  • Die Fotodioden sind mit Ausleseschaltungen verbunden, die der in 3 dargestellten ähnlich sind, und die elektrischen Potentiale Vpd1, Vpd2, die sie als Funktion insbesondere der Belichtung, der sie ausgesetzt sind, und ihrer Polarisierung vor der Belichtung haben, werden von diesen Ausleseschaltungen ausgelesen, um ein Bild zu gewinnen.
  • Polarisierungsmittel halten die zweite dotierte Zone 8 auf einem elektrischen Potential Vring, das gleich oder niedriger als das niedrigste Potential Vpd1, Vpd2 der ersten dotierten Zonen 3 ist, so dass Vring ≤ min(Vpd1, Vpd2). Vorzugsweise ist das elektrische Potential der zweiten dotierten Zone 8 so gewählt, dass es niedriger als das niedrigste Potential Vpd1, Vpd2 der ersten dotierten Zonen 3 ist, so dass Vring < min(Vpd1, Vpd2).
  • Typischerweise sind diese Mittel in Form einer elektrischen Verbindung, welche die zweite dotierte Zone 8 mit einer Energiequelle verbindet und über welche das elektrische Potential Vring angelegt wird und über welche die von der zweiten dotierten Zone 8 absorbierten überschüssigen Ladungen abfließen.
  • Vorzugsweise wird das Potential der zweiten dotierten Zone 8 als Funktion des an der Fotodioden-Anordnung herrschenden Belichtungspegels moduliert. Zu diesem Zweck können Vorkehrungen getroffen werden, um die Belichtung an der Fotodioden-Anordnung insbesondere mit Hilfe der Ausleseschaltung, beispielsweise der in 3 gezeigten, zu messen. Die Belichtungsmessung erlaubt, das Potential, das an die zweite dotierte Zone 8 angelegt werden muss, zu bestimmen.
  • Es können auch Vorkehrungen getroffen werden, um den Widerstand der zweiten dotierten Zone zu verringern, indem ein die zweite dotierte Zone 8 bedeckendes Metallgitter hinzugefügt wird, so dass ein einheitliches Potential anliegen kann und Ladungen gleichmäßig abfließen können. Dieses Metallgitter kann auch verwendet werden, um mehrere zweite dotierte Zonen 8 miteinander zu verbinden, um dadurch als Verbindungseinrichtung zum Anlegen des Potentials Vring zu wirken.
  • Die zweite dotierte Zone 8 ist zwischen mindestens einigen der ersten dotierten Zonen 3 angeordnet, um so die letzteren voneinander zu trennen. 5 zeigt eine Querschnittansicht der wechselnden Abfolge von ersten dotierten Zonen 3 und einer oder mehreren zweiten dotierten Zonen 8. Gesehen in Richtung des Querschnitts, trennt oder trennen daher die zweite(n) dotierte(n) Zone(n) 8 die ersten dotierten Zonen 3, die die Anoden der Fotodioden bilden, voneinander, um so die überschüssigen Ladungen zu absorbieren, die (ansonsten) über die aktive Schicht 5 aus einer ersten dotierten Zone 3 zu einer anderen fließen könnten.
  • 6 ist eine Ansicht von oben auf eine Ausführungsform, in welcher einige erste dotierte Zonen 3 jeweils von einer zumindest teilweise in der aktiven Schicht 5 gebildeten, (zweiten) dotierten Zone 8 des gleichen Typs wie die ersten dotierten Zonen 3, hier N-Typ, zumindest teilweise umgeben sind, um jede der aus den ersten dotierten Zonen 3 gebildeten Anoden von den anderen Anoden der Anordnung zu trennen.
  • 7 ist eine Ansicht von oben auf eine Ausführungsform, in welcher die zweite dotierte Zone 8 ein Gittermuster zwischen einigen ersten dotierten Zonen 3 bildet, um so erste dotierte Zonen 3 einzeln zu umgeben.
  • Um die Komplexität der Herstellung und die der Verbindungen zu reduzieren, ist vorzugsweise eine einzige dotierte Zone 8 an der Oberfläche der Fotodioden-Anordnung verteilt angeordnet. Jedoch kann man wählen, mehrere zweite dotierte Zonen 8 anzuordnen, wie in 8 dargestellt ist, wobei mehrere zweite dotierte Zonen 8 parallel zueinander verteilt und eingefügt zwischen ersten dotierten Zonen 3 angeordnet sind.
  • In den in 6 und 7 dargestellten Beispielen sind alle Anoden 3 von einer oder mehreren zweiten dotierten Zonen 8 umgeben. Jedoch ist es nicht unbedingt notwendig, obgleich bevorzugt und schlüssig (konsequent), alle Fotodioden zu umgeben. Um eine signifikante Reduzierung des Crosstalk-Effekts zwischen Fotodioden zu erzielen, sind nichtsdestotrotz vorzugsweise die meisten Fotodioden von mindestens einer zweiten dotierten Zone 8 umgeben.
  • Ebenso sind in den in 5 und 6 dargestellten Beispielen die ersten (dotierten) Zonen 3 ganz von zweiten dotierten Zonen 8 umgeben. Jedoch kann eine dotierte Zone 8 um eine erste dotierte Zone 3 herum Öffnungen haben und wird daher eine erste dotierte Zone 3 nur teilweise umgeben.
  • Fertigungstechnische Überlegungen, aber auch Überlegungen in Hinblick auf eine Optimierung der Funktionsweise der Fotodioden können es erforderlich machen, einige erste dotierte Zonen 3 nicht ganz mit mindestens einer zweiten dotierten Zone 8 zu umgeben. Die zweiten dotierten Zonen 8 konkurrieren mit den Fotodioden um Ladungsträger. Um diese Konkurrenz zu begrenzen, können Vorkehrungen getroffen werden, so dass die zweite(n) dotierte(n) Zone(n) 8 die Anoden nicht ganz umgeben, aber nichtsdestoweniger die Anoden ausreichend umgeben, um eine signifikante Verringerung eines Crosstalk-Effekts zwischen den Fotodioden zu erzielen.
  • Die zweite dotierte Zone 8 ist von den ersten dotierten Zonen 3 durch einen ausreichenden Abstand (Zwischenraum) getrennt, so dass die zugehörigen Raumladungszonen der zweiten dotierten Zone 8 bzw. der ersten dotierten Zonen 3 voneinander getrennt sind. Daher ist die zweite dotierte Zone 8 vorzugsweise in einem Abstand von mindestens 0,5 μm von der Anode, die sie umgibt, angeordnet.
  • Vorzugsweise hat eine zweite dotierte Zone 8 eine Breite (von oben gesehen) von mindestens 0,5 μm, so dass die Fotodioden ausreichend voneinander isoliert sind. Die Breite (von oben gesehen) einer dotierten Zone 8 kann sich somit bis zu 2 μm erstrecken und sogar 5 μm erreichen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Fotodioden-Anordnung gemäß dem ersten Aspekt. Mit Bezug auf 9 kann eine solche Anordnung durch die folgenden Schritte hergestellt werden:
    • – epitaktisches Aufwachsen (Schritt S1) einer aktiven Schicht 5 eines Materials aus der Indiumgalliumarsenid-Familie (InGaAs) auf einem Substrat 4 eines Materials aus der Indiumphosphid-Familie; dann
    • – epitaktisches Aufwachsen (Schritt S2) einer Passivierungsschicht 6 eines Materials aus der Indiumphosphid-Familie (InP) auf der aktiven Schicht 5; dann
    • – gleichzeitiges Bilden von zwei Arten dotierter Zonen des gleichen Typs zumindest teilweise in der ersten aktiven Schicht 5 während ein und desselben selektiven Dotierungsschritts (Schritt S3): erste dotierte Zonen 3, die zusammen mit der Kathode Fotodioden für die Bilderzeugung bilden, und mindestens eine zweite dotierte Zone 8, um von den Fotodioden emittierte Ladungsträger zu absorbieren.
  • Beispielsweise können die ersten dotierten Zonen 3 und die mindestens eine zweite dotierte Zone 8 gebildet werden durch selektive Diffusion von Zink – als Dotierungselement des P-Typs – in die Passivierungsschicht 6 und in die aktive Schicht 5, wenn die Schichten vom N-Typ sind.
  • Das gleichzeitige Bilden der ersten dotierten Zonen 3 und der mindestens einen zweiten dotierten Zone 8 erlaubt die Verwendung derselben Maske für die Diffusion der Dotierungselemente. Folglich bleibt das Herstellungsverfahren einfach und besteht nicht die Gefahr einer fehlerhaften Ausrichtung separater (mehrerer einzelner) Implantationsmasken. Die ersten dotierten Zonen 3 und die zweite(n) dotierte(n) Zone(n) 8 haben daher gleiche Eigenschaften in Bezug auf Dotierungsgrad und Dotierungstiefe, was die Steuerung ihrer Funktion durch das angelegte Potential erleichtert.

Claims (12)

  1. Fotodioden-Anordnung mit: – einer Kathode, die mindestens eine Substratschicht (4) eines Materials aus der Indiumphosphid-Familie und eine aktive Schicht (5) eines Materials aus der Indiumgalliumarsenid-Familie aufweist; und dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung außerdem mindestens zwei Arten dotierter Zonen des gleichen Typs, die mindestens teilweise in der aktiven Schicht (5) gebildet sind, aufweist: • erste dotierte Zonen (3), die zusammen mit der Kathode Fotodioden für die Bilderzeugung bilden; • mindestens eine zweite dotierte Zone (8), die überschüssige Ladungsträger absorbiert, um sie abfließen zu lassen.
  2. Anordnung nach dem vorstehenden Anspruch, wobei Polarisierungsmittel die zweite dotierte Zone (8) auf einem elektrischen Potential (Vring) halten, das gleich oder niedriger als das niedrigste Potential (Vpd1, Vpd2) der ersten dotierten Zonen (3) ist.
  3. Anordnung nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Potential der zweiten dotierten Zone (8) als Funktion des an der Fotodioden-Anordnung herrschenden Belichtungspegels moduliert wird.
  4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten dotierten Zonen (3) und die zweite dotierte Zone (8) den gleichen Dotierungsgrad in der gleichen Tiefe haben.
  5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite dotierte Zone (8) zwischen mindestens einigen der ersten dotierten Zonen (3) angeordnet ist.
  6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite dotierte Zone (8) erste dotierte Zonen (3) einzeln umgibt.
  7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite dotierte Zone (8) ein Gittermuster zwischen ersten dotierten Zonen (3) bildet.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mehrere zweite dotierte Zonen (8) parallel zueinander verteilt und eingefügt zwischen ersten dotierten Zonen (3) angeordnet sind.
  9. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite dotierte Zone (8) durch einen ausreichenden Abstand von den ersten dotierten Zonen (3) getrennt ist, so dass die zugehörigen Raumladungszonen der zweiten dotierten Zone (8) bzw. der ersten dotierten Zonen (3) voneinander getrennt sind.
  10. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Metallgitter an der Oberfläche der Anordnung verschiedene Punkte der zweiten dotierten Zone(n) (8) miteinander verbindet, um das elektrische Potential der zweiten dotierten Zone(n) (8) einheitlich zu machen.
  11. Bildsensor, der eine Fotodioden-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
  12. Verfahren zur Herstellung einer Fotodioden-Anordnung, wobei die Fotodioden-Anordnung aufweist: – eine Kathode, die mindestens eine Substratschicht (4) eines Materials aus der Indiumphosphid-Familie und eine aktive Schicht (5) eines Materials aus der Indiumgalliumarsenid-Familie aufweist; – mindestens zwei Arten dotierter Zonen des gleichen Typs, die mindestens teilweise in der aktiven Schicht (5) gebildet sind: • erste dotierte Zonen (3), die zusammen mit der Kathode Fotodioden für die Bilderzeugung bilden; • mindestens eine zweite dotierte Zone (8), die von den Fotodioden emittierte Ladungsträger absorbiert, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die ersten dotierten Zonen (3) und die mindestens eine zweite dotierte Zone (8) während ein und desselben selektiven Dotierungsschritts (S3) gebildet werden.
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