DE2328194B2 - Fotoelektrische halbleitervorrichtung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Fotoelektrische halbleitervorrichtung und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
)ie Erfindung betrifft eine photoelektrische HaIb-„•ivotrichtung
mit einem Halbleiterkörper des ei-Leitfähigkeiistyps
und einer auf dem Halbleiterkörper angebrachten Epitaxialschicht des entgegen gesetzten Leitfähigkeitstyps, wobei die Epitaxial
schicht auf ihrer vom Halbleiterkörper abgewandten Seite eine Lichteinfallsfläche besitzt und die Epi
taxialschicht und der Halbleiterkörper ohmsche Kon takte bildende Elektroden aufweisen. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine verbesserte Photodiode des
Planartyps, welche eine größere Empfindlichkeit gegenüber
sichtbarem Licht aufweist.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung sowie ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung
von derartigen photoelektrischen Halbleitervorrich tungen aus einer Mehreinheitenvorrichtung ist bereits
aus der FR-PS 1 454 640 bekannt. Bei diesem be kannten Verfahren wird auf einem Halbleiterkörpe
des einen Leitfähigkeitstyps eine Epitaxialschicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp gebildet, au
diese Epitaxialschicht eine Isolierschicht aufgebracht diese Isolierschicht zur Ausbildung einer Mehrzah
von freigelegten Bereichen geätzt und dann der Halbleiterkörper nach dem Anbringen der Elektroden in
die einzelnen Vorrichtungen aufgetrennt.
Bei Photodioden kann das auf die pn-Übergangszone auftreffende sichtbare Licht Elektronen-Löcher-Paure
freisetzen, wenn die Photonenenergie größer ;st als die Bandlückenenergie des Materials.
Die Verwendung von Planar-Photodioden hat in jüngster Zeit wegen deren kleinen Leckstrotns und
Widerstands gegen große Sperrspannungen eine weite Verbreitung gefunden, da durch ihren Planaraufbau
die pn-Übergangszone von der äußeren Umgebung isoliert ist. Die Isolation dient zum Schutz des inneren
Kristallbaus gegen Verunreinigung durch nachteilige Fremdteilchen und zur Verringerung der Anzahl vor
Gitterfehlern und -deformationen. Die Planarphotodioden umfassen den diffundierten pn-Ubergangstyp
und den Epitaxial-pn-Übergangstyp.
Zur Erzielung einer zufriedenstellenden Empfindlichkeit im sichtbaren Spektralbereich ist es wichtig
zu berücksichtigen, daß (1) die Erzeugung von wirksamen
Trägern in Bereichen bis zu 10 μτη Tiefe von der lichtempfangenden Oberfläche aus hauptsächlich
durch Lichtwellenlängen bis zu Ο,"7 μπι zustande
kommt, (2) die Lichteindringtiefe um so kleiner ist je kurzer die Wellenlänge ist, und (3) die größere Dotierungskonzentration
im Oberflächenbereich zu einer Vergrößerung der Anzahl von Gitterfehlern in diesem Bereich führt, wodurch die Rekombination
von Trägern beschleunigt wird, was auf einen geringeren Beitrag von Trägern zu dem Photostrom führt.
In dem Fall der Photodiode mit diffundierter Übergangszone
ist es erforderlich, daß die Tiefe der Obergangszone so gering wie möglich ist und daß die Oberflächenkonzentration
der diffundierten Verunreinigung st) gering wie möglich ist. Bei Photodioden mit
diffundierter Ubergangszone nimmt jedoch die Störstellenkonzentration
mit zunehmender Tiefe von dei Oberfläche aus ab und die diffundierte Übergangszone hat eine größere Störstellenkonzentration als der
Substratbereich. Das führt zu einer kürzeren Diffusionslänge für die Minoritätsträger, die in Bereichen
näher zu der liehtempfangenden Oberfläche (= Lichteinfallsllache) als in den tieferen Bereichen erzeugt
werden, und damit zu einer geringeren Lichtempfindlichkeit in dem Spektralbereich des sichtbaren
Lichtes. Nach Entwicklung des Epitaxialverfahrens wurde es dann möglich, eine geeignete Dotierung der
entgegengesetzten Leitfähigkeit bei einer gewünsch-
:en Konzentration unabhängig von dem verwendeten üubstratmaterial einzubringen. So kann die Oberflä-
:henstörstellenkonzentration bei einen, Wert gehallen
werden, der niedriger ist als in dem Substrat.
In dem Buch von Edward Keonjian »Microelectronics«,
McGraw Hill, Seiten 307 bis 309, ist z. B. ein Epitaxialverfahren, das zum Herstellen einer photoelektrischen
Halbleitervorrichtung dienen kann, beschrieben. Bei diesem Verfahren wird in einem ersten
Schritt eine η-Schicht mit einem spezifischen Widerstand von mehreren Ohm · cm auf ein p-Siliciumsubstrat
aufgewachsen, so daß eine pn-Obergangszone gebildet wird. In dem zweiten Schritt wird auf
der Epitaxialschicht durch Erwärmen bei einer hohen Temperatur in einer oxydierenden Atmosphäre eine
Oxydschicht gebildet, welche anschließend photogeatzt wird, so daß eine Vielzahl von geätzten Teilen
erhalten wird. Durch diese geätzten Teile wird eine p-Dotierung bei einer Temperatur von 1100° C etwa
1 Stunde lang diffundiert, damit die diffundierte Dotierung das p-Substrat erreicht, wobei eine Vielzahl
von isolierten η-Bereichen erhalten wird. Danach wird wieder eine Oxydation bei einer hohen Temperatur
ausgeführt, wobei :ine Oxidschicht zum Bedecken
dergesamten Oberfläche des Substrats geschaffen wird, anschließend wird diese Oxydschicht unter BiI-dunsi
eines Fensters geätzt, so daß die freigelegten Flachen als Lichteinfallsfläche, d. h. als die lichtempfangende
ObcrfUiche, dienen können. Durch das Fenster hindurch wird eine η-Dotierung bei einer hohen
Temperatur auf die freigelegte Fläche diffundiert, so daß sich eine dünne Schicht (weniger als I μνη dick)
einer Dotierungs- bzvs. Störstellenkonzentration von
mindestens K)2" cm ' auf dem unmittelbaren Oberflächenteil
der isolierten η-Bereiche ergibt. Dadurch wird ein von der Oberfläche aus nach innen abnehmender
Potentialgradient erhalten, um die Rekombination von lichtinduzierten Minoritätsladungsträgern
(Leichern) zu verringern, welche in Bereichen bis zu 1 /(in Tiefe von der Oberfläche aus erzeugt werden.
Danach werden die Oxydschichten direkt oberhalb der diffundierten p-Bereiche geätzt; dann wird auf die
Oxydschicht Aluminium unter Bildung einer Vid/ahl
von Elektroden aufgebracht. Anschließend wird das Substrat in bekannter Weise unter Bildung einer Vielzahl
von Planar-Epitaxialphotodioden getrennt.
Eine solche Arbeitsweise erfordert eine Mehrzahl von Wärmebehandlungen, nämlich das Aufbringen
von Oxydschichten, die Diffusion der p-Dotierung in die epitaxial gewachsene η-Schicht durch geätzte Teile
der Oxydschicht hindurch zum Isolieren der n-Schicht,
das weitere Aufbringen einer Oxydschicht und die Diffusion von höherer Konzentration auf der n-Schicht
durch das geätzte »Fenster« der n-Schicht hindurch. Zwischen den Wärmebehardlungsschritten
wird die Diode Ätzverfahren ausgesetzt, bei denen sich die Diode auf niedrigeren Temperaturen befindet.
Diese zyklisch wiederholte Zufuhr von Wärme führt zu Gitterfehlern und zur Verunreinigung durch
Schwermetalle, wie beispielsweise Nickel. Eisen, Kupfer und Gold. Das ergibt dann eine kurze Diffusionslänge
von Minoritätsladungsträgern, insbesondere in der lichlempfangenden n-Schicht. Eine solche
F.pitaxialphotodiode hat deshalb eine geringe Empfindlichkeit gegenüber sichtbarem Licht und einen
großen Dunkelstrom, wenn an sie eine Sperrspannung angelegt ist, da die Sperrschicht dazu neigt, sich zu
der Schicht mit größerer Leitfähigkeit (n-Schicht) hin auszubreiten, und die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger
in der n-Schicht verringert. Außerdem wirkt die n^ -Diffusionsschicht, die auf die Epitaxialschicht
aufgebracht worden ist, um die Rekombination von Minoritätsladungsträgern zu verringern, in
der Weise, daß die Empfindlichkeit gegenüber dem Bereich des sichtbaren Lichtes (40C0 bis 6000 A) vergrößert
wird. Da ferner die Isolierung der n-Schicht durch Diffundieren einer p-Dotierung durch schlitz-
artig geätzte Teile der Oxydschicht hindurch bewirkt
wird, wobei die p-Diffusion das p-Substrat erreicht, liegt dann die isolierte n-Schicht zu den umgebenden
p-Bereichen benachbart. Dies vermindert die Durchbiuchspannung des pn-Übergangs.
1S Die Aufgabe der Erfindung liegt daher in der
Schaffung einer verbesserten photoelektrischen Halbleitervorrichtung, die eine größere Empfindlichkeit
gegenüber sichtbarem Licht sowie gleichzeitig nur einen schwachen Dunkelstrom aufweist, während
beim Herstellungsverfahren fur eine solche photoelektrische Halbleitervorrichtung die Zahl der Wärmcbchandlungsschritte
und damit die Anzahl von Gitterfehlern möglichst gering gehalten werden soll. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der photoelektnschen
Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Epitaxialschicht
an ihrem Umfang von einer Isolierschicht, die sich bis zum Halbleiterkörper erstreckt, umgeben ist. Diese
besondere Ausbildung der Isolierschicht auf der Oberfläche und den Seitenflächen der erfindungsgemäßen
Halbleitervorrichtung vermindert das Ruckfließen von Strom und führt so neben der durch das
Herstellungsverfahren erreichten minimalen Anzahl von Gitterfehlern zur Verringerung des Dunkel-Stroms.
Eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen photoelektrischen Halbleitervorrichtung
hesteht darin, daß in die Epitaxialschicht von der Lichteinfallsfläche aus eine Verunreinigung der entgegengesetzten
Leitfähigkeit bis in eine Tiefe diffun-
diert ist, welche kleiner ist als die Dicke der Epitaxialschicht. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der
Halbleiterkörper und die Epitaxialschicht aus Silicium bestehen, wodurch sich u. a. auch die Isolierschicht
in Form einer Siliciumdioxydschicht durch einfaches Behandeln des Epitaxialschicht-Halbleiterkörpers in
oxydierender Atmosphäre ausbilden läßt. Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Epitaxialschicht als
Mesa ausgebildet ist.
Das Verfahren zur Herstellung der verbesserten photoelektrischen Halbleitervorrichtung wird erfindungsgemäß
so ausgeführt, daß die Epitaxialschicht vor dem Aufbringen der Isolierschicht unter Bildung
einer Mehrzahl von einander sehneidenden Nuten mit einer größeren Tiefe als der Dicke der Epitaxialschicht
geätzt wird, wobei die Nuten in den Halbleiterkörper eindringen, daß dann die Isolierschicht in den Nuten
und auf der übrigen Oberfläche der Epitaxialschicht ausgebildet wird und die Trennung des Halblciterkörpe
rs nach erfolgter Ausbildung der freigelegten Be-
fio reiche enthing der so geschaffenen Nuten ausgefuhr
wird. Außerdem kann in den in der Isolierschicht freigelegten Bereichen eine Verunreinigung der entge
gengesetzten Leitfähigkeit in die Epitaxialschicht bl· in eine Tiefe eindiffundiert werden, welche kleiner is
als die Dicke der Epitaxialschicht, wodurch eine La dungsträgerkonzentration geschaffen wird, die große
ist als die in der übrigen Epitaxialschicht.
Die geringe Anzahl der erforderlichen Wärmebe
handlungcn tragt ganz wesentlich dazu bei. daß Gitterstörungen
bzw. Gittcrstörstellen, insbesondere Gitterstörstellen im Bereich der pn-Übergangszone,
auf ein Minimum reduziert werden; gleichzeitig kann damit erreicht werden, daß der Dunkelstrom auf ein
Minimum reduziert wird und daß eine Verschiebung der Helligkeitsempfindlichkcit der erfindungsgemäßen
photoelektrischen Halbleitervorrichtung in kürzere Wellenlängenbereiche erfolgt, wobei der längere
Wellenlängenbereich weggeschnitten worden ist.
Die Erfindung wird nachstehend in einem Ausführungsbeispiel
an Hand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt
Fig. 1 ein Verfahren zum Herstellen von Epitaxial-Mesa-Photodioden,
wobei Metallelektroden der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer n-Epitaxialschicht auf einem p-Substrat (Metallelektroden
ebenfalls weggelassen),
Fig. 3 ein Diagramm der Spektralempfindlichkeit einer Photodiode im Vergleich zu einer bekannten
Photodiode,
Fig. 4 ein Diagramm der Dunkelstromkennlinie einer Photodiode im Vergleich zu einer bekannten
Photodiode.
In Fi g. 1 ist ein Herstellungsverfahren für eine Epitaxial-Mesa-Photodiode
gezeigt. Auf ein p-Siliciumsubstrat 30, welches eine Ladungsträgerkonzentration
von 10'x cm"' hat, ist eine n-Schicht 31 mit einer Ladungsträgerkonzentration
von 10" cm'J bis zu einer Dicke von etwa 2 μηι aufgewachsen. Die n-Schicht
31 ist mittels eines Gemisches von Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure unter Bildung einer Vielzahl
von einander schneidenden Schlitzen bis in eine das Substrat erreichende und geringfügig in dieses hineinreichende
Tiefe photogeätzt, so daß eine Vielzahl von einander schneidenden Nuten 32 erhalten wird, welche
die Epitaxiaischicht 31 in eine Vielzahl von isolierten Bereichen 31a trennen. Durch das Ätzen wird
das Substrat längs der Nuten 32 teilweise freigelegt. Die isolierten Bereiche 31 α können in beliebigen Formen
erhalten werden, z. B. als Mesa-Typ-Insel, die um ihre Ränder herum einen abgeschrägten Teil hat,
oder auch mit steilen Rändern. Die isolierten Epitaxialbereiche und die geätzten Teile einschließlich der
teilweise freigelegten Bereiche des Substrats werdei bei einer Temperatur von 1000° C 50 Minuten lanj.
oberflächenoxydiert, um eine Isolierschicht 33 mit einer Dicke von etwa 3000 A zu schaffen. Darar
schließt sich das zweite Ätzen an, wodurch die Isolierschicht 33 geätzt wird, so daß ein Fenster 34« uik
geätzte Teile 34b geschaffen werden und auf den isolierten Bereichen 31« ein lichtempfangender Bereicl
erhalten wird. Durch das Fenster 34« hindurch wire cmc η-Verunreinigung auf den Epitaxialbercich 31
diffundiert, um eine iv -Schicht 35 mit einer Dickt von etwa 0,2 μιη und einer Oberflächenstörstellenkonzentration
von 10lÄcrrr' auszubilden. In bekannter
Weise wird dann Aluminium aufgebracht, wodurch
•5 eine Vielzahl von Elektroden 36 geschaffen wird, vor
denen eine Anzahl mit dem Epitaxialbereich 31« unc eine andere Anzahl durch den geätzten Teil 34/; hindurch
mit dem Substrat 30 in ohmschem Kontakt stehen. Dann wird das Substrat 30 in bekannter Weise
zerschnitten, um die einzelnen Photodioden voneinander zu trennen. Die n + -Schicht 35 ist die lichtempfangende
Oberfläche der Photodiode.
Da das Substrat nur kurze Zeit der Wärme ausge-
setzt ist, wird sichergestellt, daß die Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgcrn in der Epitaxiaischicht
nicht nachteilig beeinflußt wird; daraus resultiert eine größere Empfindlichkeit für das sichtbare Licht und
geringerer Dunkelstrom.
In Fig. 2 ist eine Epiutxial-Mesa-Photodioden-Anordnung
vor dem Auftrennen in die einzelnen Photodioden gezeigt.
Fig. 3 zeigt die Spektralempfindlichkeit einer bekannten Epitaxialdiffusionsphotodiode und einer
Photodiode nach der Erfindung (ausgezogene Linie); beide Dioden haben eine Übergangszonc von
2 x 1,5 mm\ Die erfindungsgemäße Photodiode ist der bekannten Photodiode in der Empfindlichkeit
gegenüber dem sichtbaren Spektralbereich über-
legen.
Wenn die erfindungsgemäße Photodiode einer Sperrspannung von bis zu 5 Volt ausgesetzt wird, wird
Dunkelstrom nur in einer weitaus geringeren Größenordnung als bei der bekannten Photodiode erhalten.
wie Fig. 4 veranschaulicht.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Photoelektrische Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper des einen Leitfähigkeitstyps und einer auf dem Halbleiterkörper angebrachten
Epitaxialschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, wobei die Epitaxialschicht auf
ihrer vom Halbleiterkörper abgewandten Seite eine Lichteinfallsfläche besitzt und die Epitaxialschicht
und der Halbleiterkörper ohmsche Kontakte bildende Elektroden aufweisen, dadurch
gekennzeichnet, daß die Epitaxialschicht (31) an ihrem Umfang von einer Isolierschicht (33),
die sich bis zum Halbleiterkörper (30) erstreckt, umgeben ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (30) und
die Epitaxialschicht (31) aus Silicium bestehen.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Epi-
<axialschicht (31) als Mesa ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die
Epitaxialschicht (31) von der Lichteinfallsfläche aus eine Verunreinigung der entgegengesetzten
Leitfähigkeit bis in eine Tiefe diffundiert ist, weiche kleiner ist als die Dicke der Epitaxialschicht.
5. Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von photoelektrischen Halbleitervorrichtungen gemäß
einem der vorhergehenden Ansprüche aus einer Mehreinhcitenvorrichtung, wobei auf einem
Halbleiterkörper des eine Leitfähigkeitstyps eine Epitaxialschicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp
gebildet, auf diese Epitaxialschicht eine Isolierschicht aufgebracht wird, diese Isolierschicht
zur Ausbildung einer Mehrzahl von freigelegten Bereichen geätzt und dann der Halbleiterkörper
nach dem Anbringen der Elektroden in die einzelnen Vorrichtungen aufgetrennt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Epitaxialschicht (31) vor dem Aufbringen der Isolierschicht (33)
unter Bildung einer Mehrzahl von einander hchneidenden Nuten (32) mit einer größeren Tiefe
als der Dicke der Epitaxialschicht (31) geätzt wird, wobei die Nuten (32) in den Halbleiterkörper (30)
eindringen, daß dann die Isolierschicht (33) in den Nuten (32) und auf der übrigen Oberfläche der
Epitaxialschicht (31) ausgebildet wird und die Trennung des Halbleiterkörpers (30) nach erfolgler
Ausbildung der freigelegten Bereiche entlang der so geschaffenen Nuten (32, 34b) ausgeführt
wird.
C-i. Verfahren nach Anspruch 5 zur Herstellung einer pholoelektriscnen Halbleitervorrichtung
nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den in der Isolierschicht (33) freigelegten Bereichen
(34m) eine Verunreinigung der entgegengesetzten Leitfähigkeit in die Epitaxialschicht (31)
bis iti eine Tiefe eindiffundiert wird, welche kleiner ist als die Dicke der Epitaxialschicht (31).
Applications Claiming Priority (1)
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| JP47055284A JPS4917189A (de) | 1972-06-02 | 1972-06-02 |
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