-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Sensorelement, bei
dem in einem Halbleitersubstrat ein lichtempfindlicher Bereich,
in dem durch Belichtung Ladungsträger freisetzbar sind, und zwei Dotierungszonen
zum Aufnehmen von in dem lichtempfindlichen Bereich freigesetzten
Ladungsträgern gebildet
sind, sowie mit gegen den lichtempfindlichen Bereich isolierten
Elektroden zum Erzeugen eines Feldgradienten in dem lichtempfindlichen
Bereich.
-
Herkömmliche
Sensorelemente dieses Typs haben den in 1 schematisch dargestellten Aufbau. 1 zeigt einen Schnitt durch
ein Halbleitersubstrat 1, in dem durch Diffusion oder Implantation von
Fremdatomen Dotierungszonen 2, 3 gebildet sind.
Eine lichtdurchlässige
Oxidschicht 4 überdeckt jeweils
einen Teil der Dotierungszonen 2, 3 sowie einen
dazwischenliegenden Substratbereich mit intrinsischer Leitfähigkeit.
Auf der Oxidschicht 4 sind zwei lichtdurchlässige Elektroden 5, 6 aufgebracht.
Die Struktur ähnelt
der eines herkömmlichen
MOSFET, dessen Gate durch ein schmales Fenster 7 in zwei den
Elektroden 5, 6 entsprechende Teile geteilt ist.
-
Licht
dringt durch die Elektroden 5, 6 und das dazwischen
liegende Fenster 7 und durch die Oxidschicht 4 in
das Halbleitersubstrat 1 ein und erzeugt darin Paare von
Ladungsträgern.
Die Elektroden 5, 6 sind transparent, um die gesamte Substratoberfläche zwischen
den Dotierungszonen 2, 3 für die Lichtabsorption nutzen
zu können.
-
Die
Elektroden 5, 6 werden jeweils alternierend mit
einem Potential beschaltet, das in dem zwischen den Elektroden 5, 6 liegenden
Bereich des Halbleitersubstrats 1 einen Potentialgradienten
hervorruft, der je nach Polung die Ladungsträger zu einer der zwei Dotierungszonen 2, 3 „schaufelt". Ladungsträger des
geeigneten Typs, die eine der Dotierungszonen 2 oder 3 erreichen,
ergeben so einen Photostrom.
-
Der
Nutzen derartiger Sensorelemente liegt insbesondere in ihrer Eignung
zur Durchführung
eines optischen Entrernungsmessverfahrens. Hierfür wird eine Lichtquelle wie
etwa eine Laserdiode mit dem gleichen Signal ein-aus-moduliert,
das auch an einer der Elektroden 5, 6 anliegt,
um zwischen diesen einen Potentialgradienten mit wechselnder Richtung zu
erzeugen. Die Laserdiode strahlt das Licht auf ein Objekt, dessen
Entfernung gemessen werden soll, und von dem Objekt reflektiertes
Licht trifft auf die Elektroden 5, 6 und/oder
das Fenster 7 und erzeugt im darunter liegenden Halbleitermaterial
Ladungsträgerpaare.
wenn die Entfernung des Objektes Null ist, besteht zwischen dem
auf das Fenster 7 treffenden Licht und dem beispielsweise
an der Elektrode 5 anliegenden Signal kein Phasenunterschied;
immer dann, wenn Licht auf das Fenster 7 trifft, liegt
ein Potentialgradient an den Elektroden 5 an, der die in
dem Substrat erzeugten Ladungsträger
zur Dotierungszone 2 ableitet. In den Zeitintervallen,
in denen die Richtung des Potentialgradienten umgekehrt ist und die
Ladungsträger
zur Dotierungszone 3 geführt werden, fällt kein
Licht auf das Fenster 7, so dass an der Dotierungszone 2 ein
maximaler Photostrom und an der Dotierungszone 3 kein Photostrom
erfasst wird. Mit zunehmender Entfernung des zu erfassenden Objektes
wird die laufzeitbedingte Phasenverschiebung zwischen den an den
Elektroden anliegenden Signalen und dem auf das Fenster 7 treffenden
Licht immer größer, und
aus dem Verhältnis
der an den Dotierungszonen 2, 3 abgegriffenen
Photoströme kann
die Entfernung des Objektes gefolgert werden.
-
Ein
Problem bei der bekannten Struktur der 1 ist, dass das Licht in ein Silizium-Halbleitersubstrat 1 einige
Mikrometer tief eindringt (ca. 20 μm bei einer Wellenlänge von
850 nm), dass aber die Raumladungszone und damit der Feldgradient,
der in dem Substrat 1 durch die gegenphasig an den Elektroden 5, 6 anliegenden
Potentiale erzeugt wird, und der benötigt wird, um die Ladungsträger zu einer
der Dotierungszonen 2, 3 wandern zu lassen, eine
demgegenüber
wesentlich geringere Eindringtiefe aufweist. Das heißt, es werden
nur Ladungsträger
mit guter Effektivität
aufgefangen und in die Dotierungszonen geleitet, die in der Raumladungszone
nahe an der Oberfläche
des Halbleitersubstrats 1 und in geringer Entfernung von
den Elektroden 5, 6 erzeugt werden; ein Großteil der
erzeugten Ladungsträger
entsteht jedoch in tieferen Bereichen des Substrats 1 außerhalb der
Raumladungszone, wo kein Potentialgradient vorliegt. Bei diesen
Ladungsträgern
ist die Wahrscheinlichkeit groß,
dass sie keine Dotierungszone erreichen, bzw. durch thermische Diffusion
eine Dotierungszone erst erreichen, nachdem das Potentialgradient
seine Richtung umgekehrt hat. Die in diesen Ladungsträgern enthaltene
Entfernungsinformation geht so verloren.
-
Außerdem ist
anzunehmen, dass nur ein kleiner Teil der Oberfläche des Substrats effektiv
zum Nachweis von Licht nutzbar ist. Die Anordnung der Elektroden 5, 6 an
der Oberfläche
des Substrats führt zu
einer Verstärkung
des elektrischen Feldes an den einander zugewandten Rändern der
Elektroden. Die Elektroden selbst schirmen große Teile des Substrats 1 gegen
das elektrische Feld des Potentialgradienten ab, so dass Ladungsträger von
dort ebenfalls langsam durch thermische Diffusion zu einer der Dotierungszonen 2, 3 gelangen.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, ein Sensorelement der eingangs definierten
Art anzugeben, das eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Sensorelement mit den Merkmalen des Anspruches 1. Indem erfindungsgemäß die isolierten
Elektroden in in der Oberfläche
des Substrats gebildeten Gräben
angebracht sind, sind sie im Stande, ein eine Drift der Ladungsträger antreibendes
elektrisches Feld zwischen benachbarten Gräben zu erzeugen, das bis in eine
beträchtliche
Tiefe in das Substrat vordringt und auch in oberflächenfernen
Bereichen des Substrat erzeugte Ladungsträger erfasst und schnell zu
einer der Dotierungszonen ableitet. Die Anordnung der Elektroden
verhindert eine lokale Überhöhung des Potentialgradienten;
eine Abschirmung durch Kanalbildung kann vermieden werden. Außerdem ist
aufgrund der Anordnung der Elektroden ein hoher Prozentsatz der
Substratoberfläche
zur Signalerzeugung nutzbar. Im Idealfall reicht das elektrische
Feld von einem Graben bis zum anderen, d.h. der Potentialgradient
zwischen den Gräben
reicht aus, um nahezu alle erzeugten Ladungsträger aus der Raumladungszone
herauszuziehen.
-
Jede
Dotierungszone sollte zweckmäßigerweise
eine Isolationsschicht einer der isolierten Elektroden berühren, so
dass, wenn sich durch ein an die isolierte Elektrode angelegtes
Abziehpotential ein leitfähiger
Kanal an der Isolationsschicht bildet, dieser Kanal Kontakt mit
der Dotierungszone hat und in dem Kanal gesammelte Ladungsträger der
Dotierungszone ohne Verluste zugeleitet werden können. Da anders als bei der
herkömmlichen
Struktur die Kanäle
bei der erfindungsgemäßen Struktur
zur gewünschten
Driftrichtung praktisch senkrecht stehen, schirmen sie die zwischen
zwei Elektroden liegenden Bereiche des Halbleitersubstrats nicht
nennenswert gegen das elektrische Feld ab. So trägt die gesamte Halbleitermasse
zwischen den zwei Elektroden zur Empfindlichkeit des Sensorelements
bei.
-
Wenn
die Tiefe der Gräben
größer ist
als die Dicke der Dotierungszonen, können den Dotierungszonen auch über die
sich an den Elektroden bildenden Kanäle Ladungsträger zugeführt werden,
die in tiefen Zonen des Halbleitersubstrats unterhalb der Dotierungszonen
erzeugt werden. Da die Dicke der Dotierungszonen im Allgemeinen
viel kleiner als die Eindringtiefe des Lichts ist, kann sogar das
Halbleitermaterial unterhalb der Dotierungszonen einen Beitrag zur
Empfindlichkeit des Sensorelements leisten.
-
Die
bevorzugte Tiefe der Gräben
liegt zwischen 5 und 40 μm,
vorzugsweise zwischen 12 und 25 μm.
Im Allgemeinen wird man um so tiefere Gräben wählen, je größer die Eindringtiefe des nachzuweisenden
Lichtes in das Halbleitersubstrat 1 ist.
-
Um
eine gute Ausnutzung der Substratfläche zu erreichen, sind zweckmäßigerweise
jeweils zwei in einer ersten Richtung benachbarte Sensorelemente
beiderseits einer gemeinsamen isolierten Elektrode angeordnet. Dabei
können
an die gemeinsame isolierte Elektrode angrenzende Dotierungszonen der
zwei Sensorelemente elektrisch leitend verbunden sein. Zwei Sensorelemente
mit leitend verbundenen Dotierungszonen sind zweckmäßigerweise
jeweils zu einem Pixel zusammengefasst, wobei ein Pixel durchaus
mehr als zwei Sensorelemente aufweisen kann.
-
Um
eine ortsauflösende
Sensoranordnung zu schaffen, sollten wenigstens einzelne Paare von Sensorelementen
existieren, bei denen an die gemeinsame isolierte Elektrode angrenzende
Dotierungszonen der zwei Sensorelemente elektrisch voneinander isoliert
sind, so dass die in den zwei Dotierungszonen aufgefangenen Photoströme getrennt voneinander
verarbeitet werden können.
-
Eine
solche Isolation von sich beiderseits einer isolierten Elektrode
gegenüberliegenden
Dotierungszonen ist zum Beispiel dadurch realisierbar, dass die
zwischen ihnen liegende iso lierte Elektrode am Boden ihres Grabens
eine dickere Isolierschicht als an dessen Seitenwänden aufweist.
Durch diese Maßnahme
wird die Entstehung eines leitfähigen
Kanals über
den Boden des Grabens hinweg verhindert, der sonst eine leitfähige Verbindung
zwischen den Dotierungszonen darstellen könnte.
-
Einer
anderen Ausgestaltung zufolge haben zwei benachbarte, zu verschiedenen
Pixeln gehörende
Sensorelemente nicht eine gemeinsame isolierte Elektrode, sondern
zwischen zwei solchen Elektroden der benachbarten Sensorelemente
ist eine die Elektroden gegeneinander isolierende Zone gebildet. Bei
einer solchen isolierenden Zone kann es sich zum Beispiel um das
Halbleitersubstrat selbst handeln, wenn beispielsweise die zwei
Elektroden jeweils in eigenen Gräben
untergebracht sind.
-
Die
von den den Dotierungszonen abgeführten Ladungen werden auf zwei
Kondensatoren gespeichert. Aus der Differenz der Ladungen dieser zwei
Kondensatoren kann die Entfernung eines auf die Pixel abgebildeten
Objekts bestimmt werden. Um Substratoberfläche zu sparen, sind diese Kondensatoren
wie die isolierten Elektroden vorzugsweise in Gräben untergebracht, so dass
ihre Platten senkrecht zur Substratoberfläche orientiert sind.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren.
-
Dabei
zeigen:
-
1 bereits behandelt, einen
Schnitt durch ein Halbleitersubstrat mit einem herkömmlichen
Sensorelement;
-
2 teils im Schnitt, teils
in perspektivischer Draufsicht auf die Oberfläche, ein erfindungsgemäßes Sensorelement;
-
3 eine Draufsicht auf ein
Pixel einer ortauflösenden
Sensoranordnung, gebildet aus mehreren der in. 2 gezeigten Sensorelemente;
-
4 eine Draufsicht auf mehrere
Pixel einer zweiten ortsauflösenden
Sensoranordnung;
-
5 einen schematischen Schnitt
durch ein Sensorelement gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und
-
6 ein weiteres Beispiel
für eine
Sensoranordnurg.
-
2 zeigt ein einzelnes erfindungsgemäßes Sensorelement 10.
Es umfasst zwei in einem Siliziumsubstrat 1 anisotrop geätzte, parallele
Gräben 11,
die nach dem Ätzen
oberflächlich
oxidiert worden sind, um eine isolierende Oxidschicht 12 zu
bilden, und die anschließend
mit elektrisch leitfähigem
Material wie etwa Metall oder hochdotiertem Polysilizium aufgefüllt worden
sind, um gegen das Substrat 1 isolierte Elektroden 13, 14 zu
bilden. Die Elektroden 13, 14 liegen einander
wie parallele Platten eines Kondensators gegenüber. Die Tiefe der Gräben 11 beträgt typischerweise
ca. 25 μm,
ihre Länge
ist weitgehend willkürlich
wählbar
und kann je nach Größe eines
durch ein oder mehrere Sensorelemente 10 gebildeten Pixels
beispielsweise in einem Bereich von 20 bis 200 μm liegen.
-
Zwischen
den zwei Elektroden 13, 14 und jeweils in Kontakt
mit der Oxidschicht 12 einer von ihnen sind zwei Dotierungszonen 15, 16 gebildet.
Die Dicke der Dotierungszonen 15, 16 beträgt einige
hundert Nanometer und ist damit deutlich geringer als die Eindringtiefe
des Lichtes in das Halbleitersubstrat 1, so dass nicht
nur Licht, das auf einen undotierten Oberflächenbereich 17 zwischen
den Zonen 15, 16 fällt, sondern auch Licht, das
die Dotierungszonen 15, 16 durchdringt, in dem
zwischen den Gräben 11 liegenden
empfindlichen Bereich 18 des Substrats Ladungsträger freisetzen
kann. Diese Ladungsträger werden
zu der jeweils mit einem Abziehpotential beaufschlagten Elektrode 13 oder 14 hin
abgezogen. Wenn das angelegte Abziehpotential hoch genug ist, um
Ladungsträger
an die Oxidschicht 12 der Elektrode 13 oder 14 angrenzenden
Bereich des Substrats 1 anzuziehen, bildet sich in diesem
Bereich ein Kanal 19 aus, in dem die Ladungsträger frei
beweglich sind. Über
diesen Kanal 19 fließen
die Ladungsträger
zu der benachbarten Dotierungszone 15 bzw. 16 ab.
-
Von
den Dotierungszonen 15, 16 werden die Ladungsträger über einen
daran angebrachten Ohmschen Kontakt abgeleitet, z.B. zu (nicht dargestellten) Sammelkondensatoren,
deren Platten wie die Elektroden 13, 14 jeweils
durch elektrisch leitfähiges
Material gebildet sind, das in einem in das Halbleitersubstrat 1 geätzten Graben,
gegen das Substrat 1 elektrisch isoliert, eingebracht ist.
-
3 zeigt eine Draufsicht
auf ein Pixel einer Sensoranordnung, das aus vier Sensorelementen 10,
wie in 2 dargestellt,
zusammengesetzt ist. Ein einzelnes Sensorelement 10 entspricht
in 3 dem durch ein gestricheltes
Rechteck gekennzeichneten Bereich. Es gibt zwei isolierte Elektroden 13,
in 3 mit 13' bezeichnet,
die jeweils zwei einander benachbarten Sensorelementen 10 angehören und
an deren zwei Längsseiten
sich Dotierungszonen 15, 16 erstrecken. Die zwei
Dotierungszonen 15, 16 an jeder der Elektroden 13' sind über ein
Längsende
der Elektrode 13' verlängert und
so miteinander elektrisch leitend verschmolzen. Nur die äußeren Elektroden,
mit 13'' bezeichnet,
weisen nur an einer Längsseite
eine Dotierungszone 15, 16 auf.
-
Die
Elektroden 13', 13'' sind jeweils alternierend mit
zwei Versorgungsleitungen 20, 21 verbunden, über die
sie jeweils um 180° phasenverschoben das
Abziehpotential empfangen. Entsprechend sind die Dotierungszonen 15, 16 jeweils
alternierend mit zwei Signalleitungen 22, 23 verbunden, über die
die Ladungsträger
zu Sammelkondensatoren und/oder anderem Auswertungsschaltungen abfließen.
-
Bei
der in 4 gezeigten Sensoranordnung ist
jede einzelne eine isolierte Elektrode 13 oder 14 umgebende
Dotierungszone 15 oder 16 mit einer eigenen Signalleitung 24 versehen.
Dies bedeutet, dass, wenn die Elektroden 13 mit dem Abziehpotential
beschaltet sind, die sie umgebenden Dotierungszonen 15 jeweils
Ladungsträger
aus den zwei in der Fig. jeweils unter dem Bezugszeichen 24 zusammengefassten
Sensorelementen sammeln, während, wenn
die Elektroden 14 das Abziehpotential empfangen, diese
jeweils Ladungsträger
aus den mit 25 bezeichneten Paaren sammeln. Es bilden also
jeweils zwei Sensorelemente 10 ein Pixel, wobei die Position der
Pixel jeweils periodisch um eine halbe Pixelbreite schwankt bzw.
die Zuordnung der Sensorelemente 10 zu einem Pixel in Abhängigkeit
davon variiert, an welchen Elektroden das Abziehpotential anliegt.
Mit einer solchen Sensoranordnung können zwar sehr hoch auflösende Bilder,
insbesondere in einem Halbbildmodus, erzeugt werden; um diese Bilder
für eine ortsauflösende Entfernungsmessung
einzusetzen, ist jedoch ein größerer Verarbeitungsaufwand
erforderlich als bei stationären
Pixeln gemäß der Ausgestaltung
der 3.
-
Kleine
stationäre
Pixel können
mit der Ausgestaltung der 5 erhalten
werden. Das in dieser Fig. dargestellte Sensorelement 10' unterscheidet sich
von dem Sensorelement 10 der 2 dadurch, dass
die Oxidschicht 12 der isolierten Elektroden 13, 14 jeweils
am Boden 26 des Grabens, in dem die Elektroden angeordnet
sind, deutlich breiter gemacht ist als an dessen Seitenflanken 27.
Infolgedessen ist die elektrische Feldstärke in dem an die Oxidschicht 12 angrenzenden
Halbleitermaterial jeweils am Boden 26 geringer als an
den Seitenflanken 27. Dadurch ist es möglich, ein Abziehpotential
an eine der Elektroden 13, 14 anzulegen, dass
zwar stark genug ist, zwei Kanäle 19 auf
beiden Seiten der Elektrode zu erzeugen, nicht aber einen den Boden 26 überbrückenden
Kanal, der diese zwei Kanäle 19 kurzschließen würde. Da
bei dieser Ausgestaltung die Dotierungszonen 15, 16 beiderseits
einer isolierten Elektrode 13, 14 auch nicht auf
der Substratoberfläche miteinander
verbunden sind, beeinflussen sich benachbarte Sensorelemente 10' gegenseitig
nicht, so dass jedes Sensorelement 10' ein von den anderen unabhängiges Pixel
darstellt.
-
Eine
andere Möglichkeit,
benachbarte Sensorelemente zu entkoppeln, um sie jeweils jedes für sich als
ein Pixel zu nutzen, ist in 6 gezeigt.
Die einzelnen Sensorelemente 10 sind hier mit denen aus 2 identisch, doch anders
als in 3 gehört jede
isolierte Elektrode 13, 14 genau einem Sensorelement 10 an,
und zwischen einander benachbarten Elektroden 13, 14 verschiedener
Sensorelemente 10 befindet sich eine isolierende Schicht 28,
hier in Form von. Material des Halbleitersubstrats 1.
-
Um
die Kapazität
der gesamten Sensoranordnung zu verringern, kann die isolierende
Schicht auch ein weiterer Graben sein, der die Gräben benachbarter
Elektroden 13, 14 elektrisch voneinander trennt.
Ein solcher Graben kann das gesamte Pixel umgeben und so zur optischen
und elektrischen Trennung der einzelnen Pixel voneinander beitragen.