DE19710134A1 - Amorphous silicon based photosensitive electronic device - Google Patents
Amorphous silicon based photosensitive electronic deviceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Variospektral-Vielfarbendiode auf der Basis von amorphem Silizium und dessen Legierungen bestehend aus mindestens einem sperrenden Kontakt mit benachbarter strahlungsabsorbierender eigenleitender Schicht, bei dem die aktiven Schichten jeweils normal zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes angeordnet sind, wobei für unterschiedliche von außen an das Bauelement angelegte elektrische Spannungen Ladungsträger, welche durch unterschiedliche spektrale Einstrahlung generiert werden, gesammelt werden, und wobei mindestens eine der einleitenden Schichten aus zwei Teilschichten unterschiedlicher Sammellänge (Driftlänge) für photogenerierte Ladungsträger aufgebaut ist, wobei in der in Lichteinfallsrichtung vorgeordneten Teilschicht eine höhere und in der in Lichteinfallsrichtung nachgeordneten Teilschicht eine niedrigere Sammellänge für photogenerierte Ladungsträger vorliegt derart, daß die beiden Teilschichten unterschiedliche Beträge der elektrischen Feldstärke aufweisen derart, daß in der in Lichteinfallsrichtung vorgeordneten Teilschicht vermehrt Ladungsträger aufgrund kurzwelliger und in der in Lichteinfallsrichtung nachgeordneten Teilschicht (II) vermehrt Ladungsträger aufgrund langwelliger Lichteinstrahlung gesammelt werden, nach Patentanmeldung 196 37 126, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die mindestens eine der eigenleitenden Schichten zusätzlich eine dritte Teilschicht (III) aufweist, deren Sammellänge (Driftlänge) für photogenerierte Ladungsträger gegenüber den übrigen zwei Teilschichten (I, II) derart unterschiedlich ist, daß in jeder der so gebildeten drei Teilschichten vermehrt Ladungsträger jeweils unterschiedlicher spektraler Bereiche gesammelt werden.The invention relates to a vario-spectral multicolor diode based on amorphous silicon and its Alloys consisting of at least one blocking Contact with neighboring radiation absorbing intrinsic layer in which the active layers each normal to the direction of light propagation are arranged, for different from the outside the component applied electrical voltages Charge carriers, which are characterized by different spectral Irradiation generated, collected, and wherein at least one of the introductory layers consists of two Sub-layers of different collection lengths (drift length) is constructed for photogenerated charge carriers, wherein in the sub-layer upstream in the direction of light incidence a higher and in the direction of light incidence subordinate sub-layer a shorter aggregate length for photogenerated charge carriers is such that the two sub-layers have different amounts of have electric field strength such that in the Light incident upstream sub-layer increased Charge carriers due to short-wave and in the Sub-layer subordinate to light (II) increased charge carriers due to long-wave Light exposure can be collected after patent application 196 37 126, which is characterized in that the at least one of the intrinsically conductive layers additionally has a third sub-layer (III), the collecting length (Drift length) for photogenerated charge carriers the remaining two sub-layers (I, II) in this way is different that in each of the three so formed Sub-layers increase charge carriers in each case different spectral ranges can be collected.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement können durch Anlegen dreier verschiedener Spannungen drei unterschiedlich tief im Bauelement liegende Raumladungszonen erhalten werden, so daß sich eine hervorragende Spektralselektivität ergibt. Insbesondere besteht ein Vorteil darin, daß sich eine Linearität über mehr als fünf Größenordnungen der Beleuchtungsstärke realisieren läßt. Darüber hinaus verfügt ein solches Bauelement über einen niedrigen Dunkelstrom und folglich einen hohen Dynamikbereich. Von besonderer Bedeutung ist außerdem, daß die Selektion der Spektralanteile ohne die Verwendung zusätzlicher optischer Filter möglich ist.In the component according to the invention can by applying three different voltages three different depths space charge zones lying in the component are obtained, so that there is excellent spectral selectivity results. In particular, there is an advantage in that linearity over more than five orders of magnitude Illuminance can be realized. Furthermore such a component has a low one Dark current and therefore a high dynamic range. From It is also of particular importance that the selection of the Spectral components without the use of additional ones optical filter is possible.
Auf diese Weise ergibt sich ein dreifarbenselektives Bauelement mit einem Minimum von herstellungstechnischem Aufwand. Es ist nämlich die eigenleitende Schicht nunmehr in drei Teilschichten unterteilt, welche eine derart aufeinander abgestimmte unterschiedliche Sammellänge haben, daß jeweils eine der drei Teilschichten für eine der gewünschten zu selektierenden Spektralfarben, insbesondere Blau, Rot, Grün, selektiv ist. This results in a three-color selective Component with a minimum of manufacturing technology Expenditure. It is now the intrinsically conductive layer divided into three sub-layers, one of which coordinated different collection lengths have that one of the three sub-layers for one the desired spectral colors to be selected, in particular blue, red, green, is selective.
Ein solches nunmehr aus nur noch fünf Schichten bestehendes Halbleiterbauelement weist neben der guten Spektraltrennung eine sehr hohe Signalverarbeitungs geschwindigkeit auf.This now consists of only five layers Existing semiconductor device has the good Spectral separation a very high signal processing speed up.
Bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.Preferred embodiments are based on the Sub-claims emerge.
Insbesondere erfolgt die Steuerung der Empfindlichkeit eines solchen Bauelementes auf der Basis eines dreifach abgestuften Dielektrizitätsverlaufs.In particular, the sensitivity is controlled of such a component based on a triple graded dielectric curve.
Zusätzlich zu der hierdurch erreichten Selektivität kann durch zusätzliche Anwendung weiterer Maßnahmen wie beispielsweise die Einstellung des Produktes µ-Tau ("µ-Tau engineering") eine verbesserte Farbselektivität erreicht werden.In addition to the selectivity achieved in this way through additional application of further measures such as for example the setting of the product µ-dew ("µ-Tau engineering") improved color selectivity can be achieved.
Die beanspruchten Bauelementevarianten sehen die
Schichtenfolgen
n-i-i-i-p und
p-i-i-i-n vor,
wobei im Falle des p-i-i-i-n Bauelementes in
Lichtausbreitungsrichtung ein niedriges Epsilon vor einem
hohen Epsilon (Dielektrizitätskonstante) angeordnet ist,
während die Reihenfolge bei umgekehrter Dotierung
(Bauelement n-i-i-i-p) invertiert ist.The claimed component variants see the layer sequences
niiip and
piiin before,
in the case of the piiin component in the direction of light propagation, a low epsilon is arranged in front of a high epsilon (dielectric constant), while the sequence is inverted when the doping is reversed (component niiip).
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert: The invention is described below with reference to a drawing explained in more detail:
Dabei zeigen:Show:
Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Schichtenaufbaus eines photoempfindlichen Bauelementes gemäß Gegenstand der Zusatzanmeldung, Fig. 1 is a schematic diagram for explaining the layer structure of a photosensitive component in accordance with the subject of the additional application,
Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Wirkungsweise des Elementes nach Fig. 1, wobei Fig. 2 is a schematic diagram to explain the operation of the element of FIG. 1, wherein
Fig. 2a die räumliche Anordnung der einzelnen Schichten des Vielschichtbauelementes, Fig. 2a shows the spatial arrangement of the individual layers of the multilayer component,
Fig. 2b den örtlichen Verlauf der Dielektrizitätskonstanten Epsilon, FIG. 2b shows the local course of the dielectric constant epsilon,
Fig. 2c den örtlichen Verlauf der elektrischen Feldstärke bei angelegter äußerer Spannung U darstellen, Fig. 2c to the local course of the electric field strength applied external voltage U is,
Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Schichtenaufbaus der Kombination eines photoempfindlichen elektronischen Bauelementes nach Fig. 1 mit einem integrierten Schaltkreis (ASIC). Fig. 3 is a schematic diagram for explaining the layer structure of the combination of a photosensitive electronic component according to Fig. 1 with an integrated circuit (ASIC).
In Fig. 1 ist der Querschnitt durch ein p-i-i-i-n Schichtsystem dargestellt, bei dem die p-i-i-i-n Schichtenfolge auf einem Träger (Glas) abgeschieden ist. Das Glassubstrat ist dazu mit einer TCO-Schicht bestehend aus einem lichtdurchlässigen, leitfähigen Oxid beschichtet, und darauf werden entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Folge die einzelnen amorphen Siliziumschichten abgeschieden. In Fig. 1 the cross section through a piiin layer system is shown, in which the piiin layer sequence is deposited on a support (glass). For this purpose, the glass substrate is coated with a TCO layer consisting of a translucent, conductive oxide, and the individual amorphous silicon layers are deposited thereon in accordance with the sequence shown in FIG. 1.
Der Abscheideprozeß erfolgt mittels der bekannten PECVD-Technologie, bei der amorphes Silizium bei relativ niedrigen Temperaturen (ca. 150-250°C) in der gewünschten Schichtdicke abgeschieden wird.The deposition process is carried out using the known method PECVD technology, using amorphous silicon at relative low temperatures (approx. 150-250 ° C) in the desired layer thickness is deposited.
Den Rückkontakt bildet eine Metallelektrode (z. B. Aluminium). An die TCO-Schicht wird eine äußere elektrische Spannung U angelegt, die in die einen in das Element fließenden Strom treibt, wobei die Metallrückkontaktschicht das Bezugspotential bildet.The back contact is formed by a metal electrode (e.g. Aluminum). An outer is attached to the TCO layer electrical voltage U applied in the one in the Element flowing current drives, the Metal back contact layer forms the reference potential.
Der Lichteinfall durch das Glassubstrat erfolgt in das p-i-i-i-n Schichtsystem senkrecht zu den Schichtoberflächen.The incidence of light through the glass substrate takes place in the p-i-i-i-n layer system perpendicular to the Layer surfaces.
Wie in Fig. 2 näher dargestellt ist, ist die eigenleitende Schicht in drei Teilschichten i-i-i (I, II, III) untergliedert, welche jeweils über unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten Epsilon verfügen. Die Unterteilung erfolgt dahingehend, daß in der in Lichteinfallsrichtung vorgelagerten Teilschicht I der niedrigste Wert für die Dielektrizitätskonstante vorliegt, in der Teilschicht II ein demgegenüber höherer Wert und in der Teilschicht III der höchste Wert. Dieser Zusammenhang geht aus Fig. 2 durch die Ortsabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten Epsilon hervor, aus der die Abstufung in den Bereichen I, II, III erkennbar ist. Dies führt zu folgender Wirkungsweise des Bauelementes: An den Grenzen zwischen den Teilschichten I und II bzw. II und III wird durch die unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten ein Sprung in der elektrischen Feldstärke erzeugt, der in der vorgelagerten Teilschicht I bzw. II ein höheres Feld verursacht als in der hinteren Teilschicht II bzw. III. Dementsprechend liegt in der Teilschicht I bzw. II eine höhere Sammellänge für Ladungsträger vor als in Teilschicht II bzw. III. Dies bedeutet, daß Ladungsträger, die in der vorderen Teilschicht aufgrund der Absorption von kurzwelligem Licht (blau) generiert werden schon bei betragsmäßig niedriger Sperrspannung effizient eingesammelt werden können, wohingegen die Ladungsträger, die im Teilbereich II von Licht mit höherer Eindringtiefe erzeugt werden (grün bzw. rot), bedingt durch den niedrigen Feldstärkebetrag im Teilbereich II bzw. III durch Rekombination für den Photostrom verloren gehen, bevor sie die Kontakte erreichen. Erst bei höheren elektrischen Feldstärken auch im Teilbereich II bzw. III, d. h. bei höheren Sperrspannungsbeträgen, können diese Ladungsträger zum Stromfluß beitragen.As is shown in more detail in FIG. 2, the intrinsically conductive layer is subdivided into three sub-layers iii (I, II, III), each of which has different dielectric constants Epsilon. The subdivision is carried out in such a way that the lowest value for the dielectric constant is present in the partial layer I upstream in the direction of light incidence, in the partial layer II a higher value and in the partial layer III the highest value. This relationship is shown in FIG. 2 by the location dependence of the dielectric constant epsilon, from which the gradation in the areas I, II, III can be seen. This leads to the following mode of operation of the component: At the borders between the sub-layers I and II or II and III, a jump in the electric field strength is generated by the different dielectric constants, which causes a higher field in the upstream sub-layer I or II than in the rear sub-layer II or III. Accordingly, there is a greater collection length for charge carriers in sub-layer I or II than in sub-layer II or III. This means that charge carriers that are generated in the front sub-layer due to the absorption of short-wave light (blue) can be efficiently collected even when the reverse voltage is low, whereas the charge carriers that are generated in sub-area II by light with a higher penetration depth (green or red), due to the low field strength in subarea II or III, being lost by recombination for the photocurrent before they reach the contacts. These charge carriers can only contribute to the current flow at higher electrical field strengths in subarea II or III, ie at higher reverse voltage amounts.
Hierdurch läßt sich im Endeffekt erreichen, daß die Teilschicht I eine erhöhte Selektivität für blaues Licht, die Teilschicht II eine erhöhte Selektivität für grünes Licht und die Teilschicht III eine erhöhte Selektivität für rotes Licht erhält.This can ultimately achieve that the Sublayer I increased selectivity for blue light, sub-layer II increased selectivity for green Light and sub-layer III increased selectivity for red light.
Ausgehend von der oben beschriebenen Grundfunktion läßt sich nach das sag. µ-Tau engineering zur Verbesserung der Farbselektivität einsetzen. Hierdurch wird die Sammellänge über die Steuerung der elektrischen Feldstärke hinaus durch Variation des µ-Tau Produktes der einzelnen Teilschichten unterstützt. In diesem Fall werden die Teilschichten mit hoher gewünschter Sammellänge während der Abscheidung mit Materialien hohen µ-Tau Produktes versehen, während Teilschichten mit geringer gewünschter Sammellänge bei der Abscheidung des Bauelementes ein entsprechend niedriges µ-Tau Produkt erhalten.Based on the basic function described above after the say µ-Tau engineering to improve the Use color selectivity. This will make the Collective length via the control of the electrical Field strength through variation of the µ-Tau product of individual sub-layers supported. In this case the sub-layers with a higher desired Collection length during the deposition with high materials µ-Tau product, while sub-layers with less desired collection length when separating the Component a correspondingly low µ-Tau product receive.
Ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten Struktur kann ein in Fig. 3 dargestellter Farbbildsensor erstellt werden, in dem die beschriebene Vielschichtstruktur auf einen integrierten Schaltkreis, z. B. in Form eines ASIC, als Substrat aufgebracht wird. Der Herstellungsprozeß erfolgt gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Isolationsschicht und einer Metallbeschichtung. Die Schichtenfolge bei der PECVD-Abscheidung ist dabei umgekehrt wie in Fig. 1 beschrieben.Based on the structure shown in FIG. 1, a color image sensor shown in FIG. 3 can be created, in which the multilayer structure described is applied to an integrated circuit, e.g. B. in the form of an ASIC, is applied as a substrate. The manufacturing process is optionally carried out with the interposition of an insulation layer and a metal coating. The layer sequence in the PECVD deposition is reversed as described in FIG. 1.
Gemäß Fig. 3 fällt Licht durch die lichtdurchlässige, leitfähige TCO-Schicht ein. Je nach Ansteuerung der optischen Zelle durch die kristalline ASIC-Struktur ergibt sich für jedes Pixelelement je nach angelegter Spannung ein unterschiedliches Spektralverhalten. Auf diese Weise kann das eingestrahlte Licht pixelweise auf seine spektralen Bestandteile hin analysiert werden und das auf diese Weise gewandelte Lichtsignal elektrisch weiterverarbeitet werden.Referring to FIG. 3, light is incident TCO layer through the light transmitting conducting. Depending on the control of the optical cell by the crystalline ASIC structure, a different spectral behavior results for each pixel element depending on the voltage applied. In this way, the incident light can be analyzed pixel by pixel for its spectral components and the light signal converted in this way can be further processed electrically.
Durch die Unterteilung der eigenleitenden Schicht in die drei Teilschichten I, II, III läßt sich eine Dreifachspektraltrennung für die Farben Blau, Grün und Rot realisieren. By dividing the intrinsically conductive layer into the three sub-layers I, II, III can be one Triple spectral separation for the colors blue, green and Realize red.
Alternativ zu der in der Zeichnung dargestellten Struktur ist eine Variante mit umgekehrter Dotierung (n-i-i-i-p), d. h. ein Vielschichtbauelement mit entsprechender Umkehrung der Abstufungsreihenfolge bei den i-Schichten vorgesehen sein, d. h. daß hier in Lichtausbreitungsrichtung ein hohes Epsilon vor einem niedrigen Epsilon angeordnet ist (Fig. 2b in entsprechender Umkehrung).As an alternative to the structure shown in the drawing, a variant with reverse doping (niiip), that is to say a multilayer component with a corresponding reversal of the gradation order in the i-layers, is provided, ie that a high epsilon is arranged in front of a low epsilon in the direction of light propagation ( FIG . 2b in corresponding inversion).
Claims (6)
- a) eine p-leitende a-Si:H Schicht
- b) eine eigenleitende a-Si:H Schicht bestehend aus drei Teilschichten (I, II, III) unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten, wobei Teilschichten niedriger Dielektrizitätskonstanten jeweils Teilschichten höherer Dielektrizitätskonstanten in Lichteinfallsrichtung vorgelagert sind.
- c) eine n-leitende a-Si:H Schicht
- a) a p-type a-Si: H layer
- b) an intrinsically conductive a-Si: H layer consisting of three partial layers (I, II, III) of different dielectric constants, partial layers of lower dielectric constants being respectively upstream of partial layers of higher dielectric constants in the direction of light incidence.
- c) an n-type a-Si: H layer
- a) eine n-leitende a-Si:H Schicht
- b) eine eigenleitende a-Si:M Schicht bestehend aus drei Teilschichten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten, wobei Teilschichten niedriger Dielektrizitätskonstanten jeweils Teilschichten höherer Dielektrizitätskonstanten in Lichteinfallsrichtung nachgeordnet sind.
- c) eine p-leitende a-Si:H Schicht
- a) an n-type a-Si: H layer
- b) an intrinsically conductive a-Si: M layer consisting of three partial layers of different dielectric constants, partial layers of lower dielectric constants being subordinate to partial layers of higher dielectric constants in the direction of light incidence.
- c) a p-type a-Si: H layer
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| WO2002035826A1 (en) | 2000-10-24 | 2002-05-02 | Christian Pilgrim | Endoscopic instrument for use in cavities |
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1997
- 1997-03-12 DE DE19710134A patent/DE19710134C2/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| DE19613820A1 (en) * | 1996-04-09 | 1997-10-23 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Structure with a pin or nip layer sequence |
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Also Published As
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| DE19710134C2 (en) | 1999-09-16 |
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