DE19730329C2 - 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 werden.

Bekanntlich können zur Isolation benachbarter Bauelemente voneinander in integrierten Schaltungen die sogenannte die­ lektrische Isolation oder die Graben- bzw. Trench-Isolation angewandt werden. Die dielektrische Isolation wird beispiels­ weise bei sogenannten Festkörper- bzw. Solid-State-Relais (SSR) eingesetzt, während die Trench-Isolation zusammen mit wafergebondeten Scheiben in den verschiedensten integrierten Schaltungen Verwendung findet.

Die erwähnten SSR erfordern eine monolithische Integration von DMOS-Transistoren mit einer Durchbruchspannung bis etwa 400 V, Niedervoltbauelemente für die Ansteuerung von 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- Isolation mit dem auf das Fotozellenarray einfallenden Licht freigesetzt werden. Daher ist eine PN-Isolation für inte­ grierte Fotozellenarrays bisher als wenig zweckmäßig angese­ hen worden.

In der DE 29 30 108 A1 ist eine Halbleiteranordnung mit einer Anzahl in Reihe geschalteter fotoempfindlicher Zellen be­ schrieben, bei der ein PN-Übergang zwischen einer hochdotier­ ten Zwischenschicht von einem ersten Leitungstyp und einem Substrat von einem zweiten Leitungstyp als Isolation vorgese­ hen ist. Bei dieser Halbleiteranordnung kann senkrecht ein­ fallendes Licht ohne weiteres diesen PN-Übergang erreichen.

Gleiches gilt auch für eine aus der US-PS 5,045,908 bekannte Fotodiode, bei der Licht, das senkrecht auf diese Fotodiode einfällt, ohne weiteres den PN-Übergang zwischen Schichten unterschiedlichen Leitungstyps zu erreichen vermag.

Schließlich ist in der US 5,549,762 A ein fotovoltaischer Ge­ nerator mit dielektrischer Isolation beschrieben, bei dem aber durch Bestrahlung einer PN-Isolation auftretende Proble­ me nicht vorliegen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein integriertes Fotozellenarray zu schaffen, dessen Betrieb nicht durch La­ dungsträger beeinträchtigt wird, die speziell bei Einfall des senkrecht zur Ebene des Fotozellenarrays eingestrahlten Lich­ tes auf die PN-Isolation ausgelöst werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein integriertes Fo­ tozellenarray mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 ge­ löst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Auf das integrierte Fotozellenarray können Spiegelschichten aufgebracht sein, die einfallendes Licht zwar zu den PN- Übergängen der Fotozellen leiten, jedoch die PN-Isolation vor dem einfallenden Licht abschirmen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die PN-Isolation mit einer vergrabenen Lichts­ perrschicht zu versehen, für die beispielsweise Wolframsili­ zid (WSi) verwendet werden kann.

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-Übergangs 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 Fotozellenarray nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung,

Fig. 2 eine Möglichkeit zur Verschaltung einzelner Foto­ zellen nach dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1,

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

Fig. 4 eine Möglichkeit zur Verschaltung einzelner Foto­ zellen nach dem zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 3, und.

Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch ein Fotozellenarray nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung.

In Fig. 1 sind in einem P-leitenden Siliziumsubstrat 1 zwei Fotozellen D1, D2 vorgesehen. Jede Fotozelle D1, D2 weist ei­ nen P-leitenden Bereich 3 sowie einen 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- Bereichen 4 gebildet wird.

Bei Lichteinstrahlung soll das einfallende Licht die PN- Übergänge 2 erreichen, während die PN-Isolation 5 vor einem solchen Licht möglichst geschützt sein soll, damit kein para­ sitärer 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 eine Möglichkeit zur Verschaltung der Fotozellen 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 erzeu­ gen. Die einzelnen Fotozellen 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 N-Bereich 4 eingebettet. Das Siliziumsubstrat 1 ist P^--leitend und ge­ erdet.

Als wesentlicher Unterschied zum Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist bei dem Fotozellenarray der Fig. 3 oberhalb der eigent­ lichen Fotozelle aus den Bereichen 3, 4 und 9 eine Abdeckung 10 aus beispielsweise Siliziumdioxid vorgesehen. Diese Abdec­ kung 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 eine Möglichkeit zur Ver­ schaltung der Fotozellen nach dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3. Auch hier können einzelne Fotozellen 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 Ab­ deckschichten 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.

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.

Claims (6)

1. Integriertes Fotozellenarray mit PN-Isolation (5), bei dem als Fotozellen verwendete PN-Übergänge (2) mit Licht be­ strahlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die PN-Isolation (5) vor einer Lichtbestrahlung (8) der­ art vollständig geschützt ist, daß senkrecht zu der Ebene des Fotozellenarrays einfallendes Licht so abgelenkt wird, daß es im Fotozellenarray höchstens die als Fotozellen verwendeten PN-Übergänge (2) erreichen kann.

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 den einzelnen Fo­ tozellen parallel zu deren PN-Übergängen (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 werden.