DE1938395C3 - Monolithische, integrierte Fotodioden-Matrix - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine monolithische, integrierte Fotodioden-Matrix für Bildabtastungen, bestehend aus in gegeneinander isolierten, in einer Halbleiterscheibe matrixförmig angeordneten, jeweils zwischen einer Treiber- und einer Abtastleitung angeschlossenen und jeweils eine lichtempfindliche Zelle bildenden Fotodioden.

Bei gegenwärtig verwendeten Einrichtungen zur Licht- bzw. Bildabtastung ist jedem abzutastenden Punkt ein lichtempfindliches Element zugeordnet. Als lichtempfindliche Elemente dienen Fotozellen, Fotodioden, Fototransistoren oder andere lichtempfindliche Zellen, bei denen auftreffende Lichtenergie eine elektrische Größe verändern kann. Da jedem Abtastpunkt jeweils ein lichtempfindliches Element zugeordnet sein muß, ist die Größe der Abtasteinrichtungen im Vergleich zur Rasterung des abzutastenden Bildes relativ groß Daraus ist zu ersehen, daß das Auflösungsvermögen der bekanntet Einrichtungen von der Größe des einzelnen lichtempfindlichen Elements best.mmt ist.

Fs ist bereits bekannt; lichtempfindliche Elemente in einem Muster anzuordnen, das sich für den Abtasiprozeß besonders eignet, Im allgemeinen stellt dieses Muster eine regelmäßige, zweidimensionale Matrix dar, die für die Abtastung verschiedener Bildformen geeignet ist Demzufolge bestehen bekannte, mit Fotodioden aufgebaute Abtasteinrichtungen aus einer zweidimensional, matrixförmigen Anordnung einzelner Fotodioden Fällt ein Lichtmusier auf diese Matrix, so werden die Fotodioden, auf die Licht auffällt leitend, während die anderen Fotodioden gesperrt bleiben. Der Leitzustand sämtlichei Fotodioden der Matrix wird dann überprüft, um die auf die Ebene der Fotodioden-Matrix auftreffende Lichtinformation zu ermitteln. Eine Fotodioden-Matrix dieser bekannten Art ist beispielsweise im US-Patent 31 97 736 beschrieben.

Aus der Halbleitertechnik ist es bekannt, in einem monolithischen Halbleiterblock PN-Übergänge herzustellen Die auf diese Weise hergestellten Dioden können lichtempfindliche Elemente darstellen. Durch geeignete Kontaktierung der Halbleiterzonen lassen sich die Verbindungen zu den einzelnen Dioden herstellen. Bei bisher bekannten monolithischen, integrierten Fotodioden-Matrizen besteht jede Zelle aus einer einzelnen Fotodiode.

Es ist das Ziel der Erfindung, diese bekannte Anordnung wesentlich zu verbessern. Insbesondere soll erreicht werden, eine Fotodioden-Matrix aufzubauen, die bei hoher Auflösung eine spalten- bzw. zeilenweise Abtastung gewährleistet. -

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jede der eine Zelle enthaltenden Halbleiterzonen die gemeinsame Kathode für Fotodiode und eine Sperrdiode bildet, deren beider Anoden jeweils aus einer getrennten, in die gemeinsame Halbleiterzone eindiffundierten und zu dieser entgegengesetzt dotierten Zone bestehen, und daß die Anode der Fotodiode jeweils an eine Treiberleitung und die Anode der Sperrdiode jeweils an eine Abtastleitung angeschlossen

ist. .

Zur Verwirklichung der gemeinsamen Kathode ist es von Vorteil wenn die die Zellen enthaltende Halbleiterzone aus einer auf einem Substrat gebildeten Intrinsic-Epitaxiezone besteht, die im Bereich jeder Zelle eine gleichartige, aber hochdotierte vergrabene Zone

enthält.

Insbesondere ist es vorteilhaft, daß jede Zelle durch eine gegenüber der Intrinsic-Epitaxiezone entgegengesetzt hochdotierte, sie umgebende und als Anode einer Isolierdiode wirkenden Zone isoliert ist, wobei Isolations-Foto- und Sperrdiode eine gemeinsame Kathode bilden. Eine Isolation der einzelnen Zellen kann auch dadurch erfolgen, daß jede Zelle in eine Isolationsschicht eingebettet ist.

Zur Verhinderung von Leckströmen und parasitären Transistoreffekten ist es vorteilhaft, daß die Anoden von Foto- und Sperrdiode jeder Zelle von eindiffundierten, flachen und gleichartig wie die Kathode aber hochdotierten Schutzringen umgeben sind. Besonders wirkungsvoll ist diese Anordnung, wenn sich die Schutzringe bis in die jeder Zelle zugeordnete vergrabene Zone erstrecken.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt aus dem Schaltbild einer erfindungsgemäßen monolithischen, integrierten Fotodioden-Matrix,

F i g. 2 eine Schnittansicht einer erfinriungsgemäßen, eine Fotodiode aufweisenden Zellenstruktur,

F i g. 3 eine Schnittansicht einer weiter verbesserten Zellenstruktur und

F i g. 4 und 5 Schnittansichten weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Zellenstrukturen.

Die Erfindung beinhaltet eine monolithische, integrierte Schaltung, bei der in einer Halbleiterscheibe eine Anzahl von lichtempfindlichen Zellen matrixförmig angeordnet sind. Die lichtempfindlichen Zellen sind so angeordnet, daß sie reihenweise ausgewählt werden können. Eine derartige Anordnung gestattet die Abtastung von Bildern, also von Lichtmustern, deren Bildfläche der Größe der Abtastmatrix entspricht. Eine zweidimensionale, malrixförmige Zellenanordnung ergibt eine Auflösung des abzutastenden Bildes im Bereich jeder Zelle. Jede Zelle ist von den übrigen Zellen innerhalb der Halbleiterscheibe isoliert und spricht demnach nur auf die ihrer Position in der Matrix zugeordnete Lichtenergie an.

Mit einer derartigen Zellenanordnung wird das Vorhandensein oder Fehlen von geringen Lichtenergien festgestellt, die auf eine Matrix bestehend aus einzelnen, in einer 37.i ■ 375 μΐη Gitterstruktur angeordneten und einen Durchmesser von beispielsweise 250 μιη aufweisenden lichtempfindlichen Bereichen auftreffen. Die Wellenlänge des in Frage kommenden Lichtes entspricht etwa der Wellenlänge der spektralen Absorption von Silizium, falls für das Halbleiterplättchen Silizium verwendet wird. Der Belichtungszustand der einzelnen Zellen der Matrix wird dadurch reihenweise abgetastet, daß eine der jeweiligen Reihe zugeordnete Treibereitung adressiert und der Zustand der senkrecht zu den Treiberleitungen verlaufenden Abtastleitungen kontrolliert wird. Jede Abtastleitung ist zu einem Abtastverstärker geführt, so daß der Lichteinfall bei jeder einzelnen Zelle abgetastet werden kann.

Jede Zelle der Matrix besteht aus 3 Dioden, die eine gemeinsame Kathode aufweisen. Eine vergrabene Zone aus N-I--dotiertem Material ist in eine P-dotierte Halbleiterscheibe eingebettet. Über dieser vergrabenen Schicht befindet sich eine Epitaxieschicht aus Intrinsic-Material. Innerhalb dieser Struktur sind 3 P + -dotierte Zonen gebildet, die mit dem die Verarmungszone bildenden Intrinsic-Material 3 PN-Übergänge bilden. Eine der 3 Zonen bildet eine Isolationsdiode und liefert einen hohen Widerstand von Zelle zu Zelle. Die beiden anderen Zonen bilden eine Fotodiode und eine Sperrdiode mit dem Intrinsic-Material. Die vergrabene Zone dient als gemeinsame Kathode für alle 3 Dioden. Sobald diese Strukturen vorliegen, werden die Verbindungen zu einer X- V-Matrix durch Aufdampfen von Aluminium und anschließende Durchführung eines Ätzprozesses hergestellt.

In F i g. 1 ist das prinzipielle Schaltbild einer zweidimensionalen Matrix mit 4 Zellen angegeben. Die Zugeordneten Treiber 1 und 2 und die Abtastverstärker 3 und 4 sind lediglich als Block dargestellt. Die gemeinsame Kathode der 3 Dioden 5, 6 und 7 ergibt sich aus dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Kathoden im Punkt 8. Als Fotodiode dient Diode 5, als Sperrdiode die Diode 6 und als Isolationsdiode die Diode 7. jede der durch die horizontal verlaufenden Linien in F i g. 1 gekennzeichneten Abtastleitungen 10 ist durch den Finunneswiderstand eines der Abtastverstärker 3 und 4 abgeschlossen, deren Bezugspotential Massepotential ist. Um sämtliche Fotodioden gänzlich zu isoHeren, wird der Anode der Isolationsdioden ein negatives Potential zugeführt. Auf diese Weise werden die IsoUitions-Sperrschichikapazitäten kleingehalten und durch den Betrieb in Sperrichtung sämtliche Fotodioden isoliert. Die in einer vertikalen, gleichzeitig auszulesenden Reihe von Zellen liegenden Fotodioden 5 werden durch einen negativen Impuls auf der Treibcrleitung 13 in Sperrichtung vorgespannt. Alle übrigen Treibcrleitungen 14 führen positives Potential, so daß die Sperrdioden sämtliche Zellen mit Ausnahme derer in der ausgewählten Reihe gesperrt sind und ein mögliches Abtastsignal von den Abtastleitungen fernhalten, Die Sperrdioden 6 in der ausgewählten Reihe sind in Durchlaßrichtung vorgespannt und sind bereit, ein Abtastsignal von den zugeordneten, in Sperrichtung vorgespannten Fotodioden 5 auf die Abtastleitungen 10 und damit auf die Abtastverstärker 3 bzw. 4 zu übertragen.

In der F i g. 2 ist eine einzelne Zelle einer erfindungsgemäßen Fotodioden-Matrix im Schnitt dargestellt. Die elektrische Schaltung jeder Zelle wird dadurch verwirklicht, daß eine gemeinsame, Ni+ -dotierte Zone 20 als gemeinsame Kathode für alle 3 Dioden vorgesehen ist. Diese gemeinsame Zone gehört im Vergleich zum Halbleitermaterial des Substrats 23, das im vorliegenden Fall P-dotiert ist, dem entgegengesetzten Leiifähigkeitstyp an. Außerdem stellt diese gemeinsame N+ -dotierte Zone eine sogenannte vergrabene Zone dar, die eine hohe Leitfähigkeit aufweist und somit die Verbindung der 3 Kathoden einer Zelle zueinander herstellt. Die tiefe P+-Diffusionszone 21 grenzt in der nur geringfügig N-dotierten Intrinsic-Epitaxiezonc 28 einen quadratischen Bereich in der Größe von 375 · 375 μιπ ab und bildet die normalerweise gesperrte Isolationsdiode. Die P+-Diffusionszone 21 weist einen niedrigeren Widerstand auf als das P-doticite Substrat 23. In dem genannten quadratischen Bereich sind zwei P+ -dotierte, Anoden bildende Zonen 24 und 26 in einem Diffusionsschritt hergestellt. Dabei entsteht zwischen der eindiffundierten Zone 24 und der Epitaxiezone 28 eine ausgedehnte, eine Fotodiode bildende Grenzschicht Gleichzeitig entsteht zwischen der eindiffundierten Zone 26 und der Epitaxieschicht 28 eine die Sperrdiode bildende Grenzschicht. Beide, die Anoden bildenden Zonen 24 und 26 sind niederohmiger als das Substrat 23. Außerdem ist ein flacher N + -dotierter Schutzring 30 eindiffundiert, der Oberflächen-Leckströme verhindert und die Stromverstärkung (ß) der lateralen PNP-Struktur auf einen geringen Wert vermindert. Die Verminderung der Stromverstärkung erfolgt, da die Elektronen-Löcher-Kombination innerhalb der N +-diffundierten Zonen wesentlich größer ist als in der umgebenden Intrinsic-Zone. Die Bedeutung der Verminderung der Stromverstärkung der PNP-Strukturen ergibt sich aus der Tatsache, daß dadurch die Gleichmäßigkeit der einzelnen Zellen gewährleistet wild.

Fig.3 zeigt die Schnittansicht einer etwas modifizierten Zellenstruktur, bei der die Stromverstärkung der parasitäten PNP-Struktur wirkungsvoller verhindert wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind die N+ -dotierten Schutzringe 40 so tief, daß sie die vergrabene Zone 20 berühren. Diese wannenförmige Struktur wird dadurch hergestellt, daß die Diffusion zur Bildung des Schutzringes vor der Diffusion der Anoden durchgeführt wird.

In beiden, in den F i g. 2 und 3 gezeigten Ausfiihrungsbeispielen sind in der aus Sili/.iumdioxyd bestehenden Isolationsschicht 38 jeweils 3 Kontaktöffnungen 32, 34 und 36 freigcätzl, über die die elektrischen Verbindungen zwischen den Zellen, also die elektrischen Verbindungen zu den malrixförmig angeordneten Treibcrlcimngcn und Abtasllcitungcn hergestellt werden. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche der Anordnung mn einer Aluminiumschicht bedampft, die anschließend an den Stellen abgeätzt wird, an denen sie nicht benötigt wird. Die auf diese Weise gebildeten Leitungen sind in der Zeichnung als Schicht 44 angedeutet. Die Kontaktöffnungen 32 sind kreisringförmig ausgebildet und umschließen die große P+ -dotierte Anode 24 der Fotodiode. Die elektrische Verbindung zur Anode der Fotodiode erfolgt also am Umfang der die Anode bildenden Zone 24. Die beiden anderen Kontaktöffnungen 34 und 36 liegen zu beiden Enden der Anode 26 der Sperrdiode. Die Anode 26 dient somit als leitende Unterquerung, so daß die zweidimensional, matrixförmigc Leiteranordnung durch eine einzige Aluminiumschicht, wie durch Schicht 44 angedeutet, gebildet werden kann.

Die in den F i g. 2 und 3 angegebenen Zellenstrukturen ergeben extrem kurze Zugriffszeiten, die im Bereich von 100 Nanosckunden liegen. Mit den in den F i g. 4 und 5 gezeigten Strukturen lassen sich jedoch größere Empfindlichkeiten erreichen. Eine dickere Epitaxiezonc hätte eine kleinere Sperrschichtkapazität der Fotodiode und der Sperrdiode zur Folge. Die Dicke der Epitaxieschicht der in den F i g. 2 und 3 gezeigten Strukturen liegt in der Größenordnung von 12 bis 15 μ, so daß der vertikale Abstand zwischen der die Anode bildenden Zone 24 und der vergrabenen Zone 20 etwa 7 bis 10 μ groß ist. Eine Vergrößerung dieses Abslandes über mehr als 15 μ würde eine wesentliche Verminderung der Kapazitäten von Fotodiode und Sperrdiode bedeuten. Diese Tatsache würde aber auch wieder eine Erhöhung der Lichtempfindlichkeit mit sich bringen. Die Erhöhung der Lichtempfindlichkeit ist bei langwelligem Licht ausgeprägter. Es zeigt sich, daß eine Erhöhung der Lichtempfindlichkeit eintritt, wenn die Wellenlänge von etwa 0,8 auf 1,1 μ vergrößert wird, Langwelligeres Licht kann Silizium leichter durchdringen als kurzwelligeres. Eine tiefere Verarmungszone absorbiert daher mehr lungwclligcrcs Licht.

F i g. 4 zeigt dan Schnitt durch eine verbesserte Zellenstruktur. Dabei ist die Tiefe der die Anode der Fotodiode bildenden Zone 60 vermindert. Dadurch wird Geschwindigkeit und Empfindlichkeit der Zelle erhöht. ElektiOncn-Löchcr-Paurc die bei einfallendem Licht in die Anode bildenden Zone 60 erzeugt werden, diffundieren durch diese Zone, Die zur Grenzschicht der Epituxiczonc 28 gelangenden Elektronen werden von dem in der Vcrurmungszono herrschenden Feld hoher Feldstärke gegen die vergrabene Zone 61 getrieben und trugen damit zum Fotosirom bei.

Das Diffundieren Ist im Vergleich zur Laufzeit innerhalb dot Vcrurmungszonc ein langsamer Prozeß. Daraus folgt, daß der Diffusionsvorgang uuf ein Mindestmaß zurückgeführt werden muß, wenn hohe Geschwindigkeiten angestrebt werden. Bei der Diffusion der freigewordenen Elektronen gegen die Grenzschicht treten in der P + -Zone Kombinationen mit Löchern uuf, wodurch die Empfindlichkeit verringert wird. Uci großen Wellenlängen erfolgt In der eine Dicke von 1,5 μ aufweisenden P+ -dotierten Zone 60 nur eine geringe Absorption. In diesem Pull wird das meiste Licht in der Verarmungszone absorbiert, während hei kurzen Wellenlängen die Absorption in der Anodenzone erfolgt. Aus diesen Gründen haben die Elektroncndiffusion und die Rekombinationseffektc große Bedeutung. Eine wirksame Verminderung der Löcher-ElekltOnen-Diffusions/.eit kann durch eine Teilung der Diffusion der Anoden von Fotodiode und Sperrdiode in zwei Diffusionsschrittc erzielt werden. Auf diese Weise kann eine sehr dünne Anodenschicht 60 für die Fotodiode und eine

ίο niedcrohmigere Anode für die Sperrdiode erzeugt werden. Eine geeignete Deckschicht aus Siliziumdioxyd in einer Dicke von 0,2 bis 0,3 μ gestattet, die Sperrdiode als leitende Unterquerung auszunützen.

Die in der Fig.5 dargestellte Zellenstruktur kann eine oder beide Verbesserungen enthalten, die an Hand der in Fig.4 dargestellten Zellenstruktur erläutert wurden. Das heißt also, es kann eine dickere Epitaxiczonc vorgesehen werden, so daß ausgedehntere Verarmungszonen für Foto- und Sperrdiode und eine flache Anodenzone der Fotodiode entstehen. Als Ergebnis erhält man eine erhöhte Geschwindigkeit und Empfindlichkeit. Im hier betrachteten Beispiel wird die Isolation der einzelnen Zellen nicht durch eine lsolationsdiodcnwirkung erzielt, sondern durch eine isolierende Siliziumdioxydschicht 70. Diese lsolationsmethodc hat den Vorteil, daß die durch die Isolation hervorgerufene Kapazität um einen Faktor 10 bis 20 verringert wird, was eine Erhöhung der Geschwindigkeit mit sich bringt. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Intrinsic-Zone 28, in der die Zelle gebildet wird, eine gezogene Kristallzone und nicht eine durch Epitaxie aufgebaute Zone sein kann, kann diese Zone einen höheren Widerstand aufweisen. Die Sperrschichtkapazitäten der Fotodioden und Sperrdioden lassen sich auf diese Weise weiter vcrringcrn. Die die Zelle umschließende N + -dotierte vergrabene Zone 72 verringert den Widerstand zwischen den beiden Kathoden jeder Zelle in erhöhtem Maße, was eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit bedeutet.

Im Betrieb ist die in F i g. 1 schematisch dargestellte Fotodioden-Matrix so in bezug auf das abzutastende Bild angeordnet, daß das Licht auf die Ebene der integrierten Matrix fällt. ]edc der Zellen der Matrix stellt das Vorhandensein oder Fehlen einer Lichtinformation im Bereich ihrer Position fest. Eine Abtastung wird durchgeführt, wenn die Treiber nacheinander negative Impulse auf die Trcibcrlcitungcn geben. Liefert beispielsweise Treiber 1 den ersten Impuls, so liefert die erste Spalte von Zellen ihre den Lichteinfall betreffen-

so de Informationen an die Abtastvcrst"rkcr. Während die erste Spalte der Zellen ausgewählt sind, liefern die den anderen Spalten zugeordneten Treiber ein positives Potential, so, daß in den zugeordneten Zellen die Lichtnbtastung unterbunden ist. Sobald die erste Spalte

SS die Abtastung durchgerührt hat, liefert der nllchsii Treiber 2 einen negativen Impuls, wahrend alle anderer Treiber uuf positivem Potential gehalten werden. Die scr Prozeß setzt sich fort bis von sümtlichcn Spalter eine Abtastung durchgeführt ist.

Eine mögliche Anwendung der Fotodlodcn-Matrli kann im Betrieb als Festwertspeicher gesehen werdcr jeder Spulte der Matrix wllrc in diesem Fall 1 Byte un< jeder Zelle 1 Informationsbit zugeordnet. Eine Anwcn dung der erfindungsgcmüßcn Fotodioden-Matrix kam

6j uuch In der Technik der Zeichenerkennung erfolgcr Die hohe Auflösung gestattet die Erkennung extrcr kleiner Informutlonszoichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Monolithische, integrierte Fotodioden-Matrix für Bildabtastungen, bestehend aus in gegencinander isolierten, in einer Halbleiterscheibe matrixförmig angeordneten, jeweils zwischen einer Treiberund einer Abtastleitung angeschlossenen und jeweils eine lichtempfindliche Zelle bildenden Fotodioden, dadurch gekennzeichrie t, daß jede der eine Zelle enthaltenden Halbleiterzonen (28) die gemeinsame Kathode für Fotodiode (5) und eine Sperrdiode (6) bildet, deren beider Anoden jeweils aus einer getrennten, in die gemeinsame Halbleiterzone (28) eindiffundierten und zu dieser entgegengesetzt dotierten Zone (24 bzw. 26) bestehen, und daß die Anode (24) der Fotodiode (5) jeweils an eine Treiberleitung (14) und die Anode (26) der Sperrdiode (6) jeweils an eine Abtastleitung (10) angeschlossen ist.

2. Monolithische, integrierte Fotodioden-Matrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zellen enthaltende Halbleiterzone (28) aus einer auf einem Substrat (23) gebildeten Instrinsic-Epitaxiezone besteht, die im Bereich jeder Zelle eine gleichartige, aber hochdotierte vergrabene Zone (20,61) enthält.

3. Monolithische, integrierte Fotodioden-Matrix nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle durch eine gegenüber der Intrinsic-Epitaxiezone entgegengesetzt hochdotierte, sie umgebende und als Anode einer Isolierdiode (7) wirkende Zone (21) isoliert ist, wobei Isolations-Foto- und Sperrdiode eine gemeinsame Kathode bilden.

4. Monolithische, integrierte Fotodioden-Matrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle in eine Isolationsschicht (70) eingebettet ist.

5. Monolithische, integrierte Fotodioden-Matrix nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden von Foto- und Sperrdiode jeder Zelle von eindiffundierten, flachen und gleichartig wie die Kathode aber hochdotierten Schutzringen (40) umgeben sind.

6. Monolithische, integrierte Fotodioden-Matrix nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schutzringe (40) bis in die jeder Zelle zugeordnete vergrabene Zone (20) erstrecken.