DE19730329A1 - Integriertes Fotozellenarray mit PN-Isolation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein integriertes Fotozellenarray mit PN-Isolation, bei dem als Fotozellen verwendete PN-Übergänge mit Licht bestrahlt sind.

Bekanntlich können zur Isolation benachbarter Bauelemente voneinander in integrierten Schaltungen die sog. dielektri­ sche Isolation oder die Graben- bzw. Trench-Isolation ange­ wandt werden. Die dielektrische Isolation wird beispielsweise bei sog. Festkörper- bzw. Solid-State-Relais (SSR) einge­ setzt, während die Trench-Isolation zusammen mit wafergebon­ deten Scheiben in den verschiedensten integrierten Schaltun­ gen Verwendung findet.

Die erwähnten SSR erfordern eine monolithische Integration von DMOS-Transistoren mit einer Durchbruchspannung bis etwa 400 V, Niedervoltbauelemente für die Ansteuerung und Schutz­ funktionen und ein Fotozellenarray das dann, wenn es bei­ spielsweise von einer Leuchtdiode angestrahlt ist, die not­ wendige Einschaltspannung zu liefern vermag.

Für ein solches Fotozellenarray wird derzeit die dielektri­ sche Isolation verwendet, wobei ein Leckstrom zwischen ein­ zelnen Zellen des Fotozellenarrays nicht auftreten kann.

Wird eine PN-Isolation zum elektrischen Isolieren von benach­ barten Fotozellen in einem integrierten Fotozellenarray ein­ gesetzt, so wird der Betrieb des Fotozellenarrays durch La­ dungsträger beeinträchtigt, die bei Bestrahlung der PN-Iso­ lation mit dem auf das Fotozellenarray einfallenden Licht freigesetzt werden. Daher ist eine PN-Isolation für inte­ grierte Fotozellenarrays bisher als wenig zweckmäßig angese­ hen.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein integrier­ tes Fotozellenarray zu schaffen, dessen Betrieb nicht durch Ladungsträger beeinträchtigt wird, die bei Einfall des einge­ strahlten Lichtes auf die PN-Isolation ausgelöst werden.

Diese Aufgabe wird bei einem integrierten Fotozellenarray mit PN-Isolation, bei dem als Fotozellen verwendete PN-Übergänge mit Licht bestrahlt sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die PN-Isolation vor einer Lichtbestrahlung geschützt ist. Hierzu können auf das integrierte Fotozellenarray Spiegel­ schichten aufgebracht werden, die einfallendes Licht zwar zu den PN-Übergängen der Fotozellen leiten, jedoch die PN-Iso­ lation vor dem einfallenden Licht abschirmen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die PN-Isolation mit einer vergra­ benen Lichtsperrschicht zu versehen, für die beispielsweise Wolframsilizid (WSi) verwendet werden kann.

Es ist aber auch möglich, für die einzelnen Fotozellen als Fotodioden betriebene Bipolartransistoren ohne Emitter einzu­ setzen und bei diesen eine Abdeckung für am Rand der Fotozel­ le vorgesehene PN-Übergänge einzusetzen. Dabei wird aller­ dings davon ausgegangen, daß der Nutzstrom eines solchen Bi­ polartransistors ohne Emitter wesentlich größer ist als der parasitäre Leckstrom, der bei Bestrahlung mit Licht in der durch den Buried-Layer und das Substrat gebildeten Diode auf­ tritt. Es wird hier also im Gegensatz zu den anderen Ausfüh­ rungsbeispielen des erfindungsgemäßen integrierten Fotozel­ lenarrays bewußt ein geringer Leckstrom in Kauf genommen.

Für die bereits genannten Spiegelschichten kann in vorteil­ hafter Weise Aluminium eingesetzt werden. Es ist aber auch möglich, andere Materialien zu benutzen, sofern diese einfal­ lendes Licht ausreichend zu reflektieren vermögen.

In bevorzugter Weise sind die Spiegelschichten so angeordnet, daß sie das Licht, das auf das Fotozellenarray einfällt, in eine Richtung umlenken, die ungefähr parallel zu den Ebenen der PN-Übergänge verläuft. In bevorzugter Weise können die Spiegelschichten einerseits auf die einzelnen Fotozellen par­ allel zu den PN-Übergängen und andererseits zwischen den ein­ zelnen Fotozellen in der Form eines umgekehrten "V" mit einem Neigungswinkel von etwa 45° bezüglich der Ebene des jeweili­ gen PN-Überganges angeordnet werden. Anstelle einer Spiegel­ schicht können die PN-Übergänge auch mit einer beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehenden Abdeckung versehen werden, so daß die außerhalb der PN-Übergänge angeordneten Spiegel­ schichten das Licht in den Bereich der PN-Übergänge ablenken.

Bei dem erfindungsgemäßen integrierten Fotozellenarray er­ folgt also die Isolation zwischen den einzelnen Fotozellen über PN-Übergänge, d. h. eine PN-Isolation, wobei das einfal­ lende Licht so umgelenkt wird, daß lediglich die als Fotozel­ len verwendeten PN-Übergänge mit Licht bestrahlt sind.

Der Leckstrom der PN-Isolation ist zwar nicht Null wie bei der dielektrischen Isolation, aber um viele Größenordnungen kleiner als der Nutzstrom, der durch die Bestrahlung der PN- Übergänge der Fotozellen erzeugt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Fotozel­ lenarray nach einem ersten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild zu dem Fotozellenarray von Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Fotozelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild zu dem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel von Fig. 3,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch ein Fotozel­ lenarray nach einem dritten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung, und

Fig. 6 eine Schnittdarstellung durch eine Fotozelle nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 sind in einem P-leitenden Siliziumsubstrat 1 zwei Fotozellen D1, D2 vorgesehen. Jede Fotozelle D1, D2 weist einen P-leitenden Bereich 3 sowie eine N-leitenden Bereich 4 auf. Zwischen den Bereichen 3, 4 besteht so ein PN-Übergang 2 der jeweiligen Fotozelle D1 bzw. D2.

Die beiden gezeigten Fotozellen D1 und D2 sind voneinander durch eine PN-Isolation 5 elektrisch getrennt, die durch den PN-Übergang zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und den N-Berei­ chen 4 gebildet wird.

Bei Lichteinstrahlung soll das einfallende Licht die PN-Über­ gänge 2 erreichen, während die PN-Isolation 5 vor einem sol­ chen Licht möglichst geschützt sein soll, damit kein parasi­ tärer Leckstrom ausgelöst wird.

Erfindungsgemäß sind daher Spiegelschichten 6, 7 vorgesehen, die so angeordnet sind, daß sie das einfallende Licht einer­ seits zu den PN-Übergängen 2 leiten, andererseits jedoch die PN-Isolation 5 vor dem einfallenden Licht schützen. Im ein­ zelnen sind daher die Spiegelschichten 7 parallel zu dem PN- Übergang 2 auf den P-Bereich 3 aufgetragen, während die Spie­ gelschichten 6 in den Bereichen zwischen den Fotozellen D1, D2 unter einem Winkel von etwa 45° schräg verlaufen, so daß einfallendes Licht 8 zu den PN-Übergängen 2 umgelenkt wird.

Wesentlich ist also, daß durch die Spiegelschichten 6 das zu­ nächst senkrecht einfallende Licht 8 nur auf die als Fotozel­ len wirkenden PN-Übergänge 2 abgelenkt wird, so daß diese ausreichend bestrahlt sind, während die PN-Isolation 5 vor diesem Licht geschützt ist.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Fotozellenarrays ist einfach durchzuführen: in das P-leitende Substrat 1 werden in üblicher Weise die N-Bereiche 4 durch Diffusion eingebracht, wonach in einem weiteren Diffusionsschritt die P-leitenden Bereiche 3 gebildet werden. Sodann werden die Gräben 9 ge­ ätzt, wozu die üblichen Ätzverfahren herangezogen werden kön­ nen. Schließlich werden sodann noch die Spiegelschichten 6, 7 aufgebracht, für die in bevorzugter Weise Aluminium verwendet werden kann.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des Ausführungsbeispiels von Fig. 1. Hier liegen n Fotozellen D1, D2, . . . Dn in Reihe zueinander, um bei Lichteinstrahlung (vgl. die Pfeile in Fig. 2) eine Gesamtspannung Un zu erzeugen. Die einzelnen Fo­ tozellen D1, D2, . . . Dn sind gegen das Substrat 1 bzw. dessen Anschluß S durch die jeweilige Dioden bildende PN-Isolation 5 isoliert.

Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Fotozellenarrays, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zunächst da­ durch unterscheidet, daß der N-leitende Bereich 4 über einen Buried-Layer (vergrabene Schicht) 9 kontaktiert ist, welcher N⁺-dotiert ist. Außerdem ist der P-Bereich 3 in den Bereich 4 eingebettet. Das Siliziumsubstrat 1 ist P⁻-leitend und geer­ det.

Als wesentlicher unterschied zum Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist bei dem Fotozellenarray der Fig. 3 oberhalb der eigentlichen Fotozelle aus den Bereichen 3, 4 und 9 eine Ab­ deckung 10 aus beispielsweise Siliziumdioxid vorgesehen. Die­ se Abdeckung 10 ist lichtundurchlässig und über eine (nicht gezeigte) Zwischenschicht auf den Bereichen 3, 4 aufgebracht.

Einfallendes Licht wird durch die Spiegelschichten 6 in den Gräben 9 wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in den Be­ reich des PN-Überganges 2 zwischen dem P-Bereich 3 und dem N- Bereich 4 abgelenkt. Dieses einfallende Licht kann aber in­ folge der Abdeckung 10 nicht die PN-Isolation 5 zwischen dem N⁺-leitenden Buried-Layer 9 und dem Substrat 1 erreichen.

Fig. 4 zeigt ähnlich wie Fig. 2 ein Ersatzschaltbild zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3. Auch hier können einzelne Fo­ tozellen D1, D2, . . . Dn in Reihe geschaltet werden, wobei diese voneinander durch die PN-Isolation 5 aus den Dioden isoliert sind, die durch den PN-Übergang zwischen dem Buried- Layer 9 und dem Substrat 1 erzeugt sind.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Fotozellenarrays in einer Schnittdarstellung, bei dem anstelle von Spiegelschichten zum Schutz der PN-Isolation zwischen dem N-Bereich 4 und dem Siliziumsubstrat 1 eine Sperrschicht 11 aus beispielsweise Wolframsilizid eingesetzt wird. Diese Sperrschicht 11 reflektiert das einfallende Licht 8 zurück in den N-Bereich 4 und zu dem PN-Übergang 2. Die Be­ reiche 3, 4 sind bei diesem Ausführungsbeispiel in eine Wanne mit P-leitenden Seitenwänden 12 eingebettet, deren Oberseiten durch Abdeckschichten 13 aus beispielsweise Aluminium abge­ schirmt sind. Diese Abdeckschichten 13 wirken also ebenfalls als Spiegelschichten, wie dies in der linken Hälfte von Fig. 5 für das einfallende Licht 8 veranschaulicht ist. Die Abdeckschichten 13 verhindern damit, daß der PN-Übergang zwi­ schen den Seitenwänden 12 und dem N-Bereich 4 mit Licht be­ strahlt wird und einen Leckstrom erzeugt.

Für die Sperrschicht 11 kann anstelle von Wolframsilizid auch ein anderes Silizid in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen integrierten Fotozellenarrays, wobei hier der P-Be­ reich 3 und der N-Bereich 4 zusammen mit dem Buried-Layer 9 und Anschlußdiffusionen 15 einen Bipolartransistor ohne Emit­ ter als Fotodiode bilden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß der Nutzstrom, der am PN-Übergang 2 entsteht, wesentlich größer ist als der parasitäre Leckstrom, der am PN-Übergang zwischen dem Buried-Layer 9 und dem Sili­ ziumsubstrat 1 auftritt. Die PN-Übergänge außerhalb der ei­ gentlichen Fotozelle sind hier ähnlich wie beim Ausführungs­ beispiel der Fig. 3 durch eine Abdeckung 10 aus beispielswei­ se Aluminium geschützt. Diese Abdeckung 10 ist über nicht ge­ zeigte Zwischenschichten auf der Oberfläche einer Epitaxie­ schicht 14 ausgebildet, in der das Fotozellenarray vorgesehen ist.

Das erfindungsgemäße integrierte Fotozellenarray läßt sich infolge seiner PN-Isolation wesentlich günstiger herstellen als Fotozellenarrays mit Trenchisolation. Dies ist insbeson­ dere darauf zurückzuführen, daß Halbleiterscheiben mit PN- Isolation wesentlich günstiger zu fertigen sind als Halblei­ terscheiben mit Trenchisolation.

Bezugszeichenliste

1

Siliziumsubstrat

2

PN-Übergang

3

P-Bereich

4

N-Bereich

5

PN-Isolation

6

,

7

Spiegelschichten

8

Licht

9

Buried-Layer

10

Abdeckung

11

Sperrschicht

12

Seitenwände

13

Abdeckschichten

14

Epitaxieschicht

15

Anschlußdiffusion
D1, D2, . . . Dn Fotozellen
S Anschluß (Substrat)

Claims (9)

1. Integriertes Fotozellenarray mit PN-Isolation (5), bei dem als Fotozellen verwendete PN-Übergänge (2) mit Licht be­ strahlt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die PN-Isolation (5) vor einer Lichtbestrahlung (8) ge­ schützt ist.

2. Integriertes Fotozellenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Spiegelschichten (6, 7) einerseits einfallendes Licht zu den PN-Übergängen (2) der Fotozellen leiten, andererseits die PN-Isolation (5) vor dem einfallenden Licht (8) abschirmen.

3. Integriertes Fotozellenarray nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelschichten (6, 7) aus Aluminium bestehen.

4. Integriertes Fotozellenarray nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelschichten (6) das Licht parallel zu den Ebenen der PN-Übergänge (2) einfallen lassen.

5. Integriertes Fotozellenarray nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Spiegelschichten einerseits (6) auf die einzelnen Fo­ tozellen parallel zu deren PN-Übergänge (2) und andererseits (7) zwischen den einzelnen Fotozellen in der Form eines umge­ kehrten "V" mit einem Neigungswinkel von etwa 45° bezüglich der Ebene der jeweiligen PN-Übergänge (2) angeordnet sind.

6. Integriertes Fotozellenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die PN-Übergänge (2) mit einer Abdeckung (10) versehen sind, so daß diese nur durch abgelenktes Licht (8) erreicht sind.

7. Integriertes Fotozellenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die PN-Isolation (5) mit einer vergrabenen Lichtsperr­ schicht (11) versehen ist.

8. Integriertes Fotozellenarray nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsperrschicht (11) aus einem Silizid, insbesonde­ re Wolframsilizid, besteht.

9. Integriertes Fotozellenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Fotodiode betriebenen Bipolartransistor oh­ ne Emitter eine Abdeckung (10) lediglich für Rand-PN- Übergänge vorgesehen ist.