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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet der photosensiblen Sensoren, insbesondere
im sichtbaren Wellenlängenbereich,
das heißt
zwischen etwa 400 und 800 nm, und im ultravioletten Wellenlängenbereich,
das heißt
zwischen etwa 10 und 400 nm. Diese Sensoren umfassen eine Schicht,
die sich gegebenenfalls aus mehreren Teilschichten aus einem photosensiblen
Material zusammensetzen, das Photonen in elektrische Ladungen umwandelt.
Diese Sensoren können
in einer isolierten Form oder in der Form einer Gruppe von Sensoren
vorliegen, die zusammen eine Abbildungsvorrichtung bilden. Die Erfindung
betrifft insbesondere Sensoren oder Abbildungsvorrichtungen mit
PIN- oder NIP-Dioden.
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STAND DER TECHNIK
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Ein
photosensibler Sensor liefert ein elektrisches Signal, dessen Amplitude
im Betriebsbereich eine zunehmende monotone Funktion der Intensität des Lichts
ist, das er empfängt.
Die Sensoren sind im Allgemeinen in Form einer aus einer oder mehreren Spalten
und einer oder mehreren Zeilen gebildeten Matrize angeordnet.
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UV-Sensoren
sind im Allgemeinen in Form isolierter Sensoren zum Nachweisen der
Anwesenheit von UV-Strahlung oder einer zur UV-Bildgebung bestimmten
Gruppe angeordnet.
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Eine
mehrere Zeilen und Spalten umfassende Matrize wird bei den meisten
Vorrichtungen zur Bilderzeugung eingesetzt. Andere Anordnungen,
insbesondere Anordnungen, bei denen die Pixel in polygonalen Strukturen
angeordnet sind, das heißt
Strukturen, bei denen die Pixelmittelpunkte bezüglich einander die Ecken von
Polygonen, zum Beispiel regelmäßigen Dreiecken
oder Fünfecken
oder Sechsecken besetzen, sind bekannt. Diese Strukturen werden
insbesondere zum Erhöhen
der Pixelzahl je Flächeneinheit
oder zum Herstellen von Gruppen gegenüber verschiedenen Farben oder
verschiedenen Wellenlängen
empfindlicher Pixel eingesetzt. Die zusammen eine Abbildungsvorrichtung
darstellenden Sensoren werden oft „Pixel" genannt, da dann jeder Sensor ein elektrisches
Signal liefert, das einem Pixel des zu bildenden Bildes entspricht.
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Die
Verweise zu Dokumenten des Standes der Technik, die in der Anmeldung
zitiert wer den, werden am Ende der Beschreibung mit der Zahl in eckigen
Klammern, die ihnen in der vorliegenden Beschreibung zugeordnet
ist, wiederholt.
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Das
Patent
US-6 114 739 [1]
beschreibt die allgemeine Form photosensibler Sensoren, deren sensibles
Material durch ein amorphes Material dargestellt wird. In der in
diesem Patent ausgeführten Beschreibung
des Standes der Technik wird eine allgemeine Form einer zusammen
eine Abbildungsvorrichtung bildenden Sensorengruppe beschrieben. Diese
Beschreibung wird hierin nachstehend im Zusammenhang mit der angefügten
1,
die die
1 dieses Patents wiedergibt,
wiederholt.
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Diese
Figur veranschaulicht einen Querschnitt eines Sensorennetzwerks,
das ein auch aktives Material genanntes sensibles Material umfasst.
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Das
Sensorennetzwerk ist auf einem Substrat 10 gebildet. Das
Substrat ist im Allgemeinen vom CMOS-(complementary metal Oxyde
silicon) oder BiCMOS (bipolar complementary metal Oxyde silicon)
oder bipolaren Typ. Das Substrat kann auch eine große Vielfalt
Technologien einschließlich
Technologien des CCD-Typs (charge coupled devices) umfassen.
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Eine
Verbindungsstruktur 12 verbindet dieses Substrat mit einer
n-dotierten Schicht 14, die sich über der Verbindungsstruktur 12 befindet.
Diese Schicht 14 dient mit der intrinsischen Schicht 116 und p-dotierten
Schicht 18, die über
der Schicht 14 gestapelt sind, zum Bilden eines Netzwerks
aus photodetektierenden PIN-Dioden. Die Lage der aus den Schichten 14, 16 und 18 gebildeten
Dioden wird durch die Lage der Via-Leiter 20 bestimmt,
die als Matrixnetzwerk in der Verbindungsstruktur 12 ausgebildet
sind.
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Eine
lichtdurchlässige,
leitfähige
Schicht 24 ist über
dem aus den Schichten 14, 16 und 18 gebildeten
Matrixnetzwerk aus PIN-Dioden angeordnet. Diese Schicht 24 bildet
eine Elektrode zur Polarisation der PIN-Dioden.
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Die
Substratschicht 10 schließt im Allgemeinen einen Schaltkreis
zum Erfassen des von jeder Diode gelieferten Signals und Schaltkreise
zum Adressieren und zur analogen oder digitalen Verarbeitung dieser
Signale ein.
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Die
Funktionsweise ist wie folgt. Eine inverse Polarisationsspannung
wird zwischen der durch die Schicht 24 gebildeten Elektrode
und dem Substrat 10 angelegt. Das dadurch erzeugte elektrische
Feld erzeugt einen Strom, der der Verschiebung elektrischer Ladungen
entspricht, die durch die Photonen erzeugt wurden, die in das aktive
Material eindringen. Der Strom aus den sensiblen Materialzonen,
die sich direkt über
einer Durchkontaktierung [Via] 20 befinden, wird bevorzugt
durch diese Durchkontaktierung 20 zu einem Signalerfassungsschaltkreis
geleitet. Jede dieser Durchkontaktierungen 20 empfängt so einen Strom,
der eine Funktion der Bestrahlung ist, die die sich über dieser
Durchkontaktierung 20 befindliche Oberfläche aus
sensiblem Material erfahren hat. Die unterschiedlichen Signale werden
anschließend durch
die zum Beispiel in dem Substrat 10 enthaltenen Adressier-
und Verarbeitungsschaltkreise verarbeitet.
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Wie
im Patent
US-6 114 739 [1]
erläutert, rührt eine
Begrenzung der gerade eben beschriebenen Bildsensorstruktur von
der Tatsache her, dass verschiedene einzelne Sensoren, deren Signal
einem Pixel des zu bildenden Bilds entspricht, von einander nicht
elektrisch isoliert sind. Insbesondere kann ein als Funktion des
Lichts, das von einer sich direkt über einer ersten Durchkontaktierung
20 befindlichen
Oberfläche
empfangen wurde, gebildeter Strom sehr wohl zu einer der benachbarten,
darauf folgenden Durchkontaktierungen
20 streuen. Was das
Bild betrifft, so verläuft
jedes Pixel in die benachbarten Pixel, so dass die Pixel eines durch
die Abbildungsvorrichtung gebildeten Bilds nicht eindeutig von einander
getrennt sind. Ein erstes, zum Vermindern dieses Nachteils in der
im Patent
US-6 114 739 [1]
erschienenen Beschreibung des Standes der Technik erläutertes
Verfahren besteht im Bereitstellen von Lücken in der sich über den
Durchkontaktungen
20 befindenden n- oder p-Schicht. Diese
Lücken erbringen
eine bessere Individualisierung jeder sich in einer Linie mit einer
Durchkontaktierung
20 befindenden Diode und folglich eine
bessere Trennung der Pixel eines Bilds.
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Das
Patent
US-6 114 739 [1]
beschreibt eine Verbesserung dieses zum Verbessern der Trennung bestimmten
Stands der Technik. Diese Verbesserung wird im Zusammenhang mit
der
2 dieses Patents beschrieben. Jede Detektionsdiode
ist weiter durch die Tatsache individualisiert, dass sie mit ihrer
eigenen Elektrode ausgestattet ist.
2 der der
vorliegenden Anmeldung angefügten
Zeichnungen gibt die
2 dieses Patents [1] wieder,
wobei für
die Elemente mit derselben Funktion wie die der
1 die
1 zugeordneten
Bezugsziffern erhalten bleiben. Bei der Ausführungsform der
2 wird
die n- oder p-Schicht, die der der vorliegenden Anmeldung angefügten
2 gestrichelt
hinzugefügt
ist, nach dem Auftrag geätzt,
so dass nur sich über
einer Durchkontaktung
20 befindende Teile
44 weiterbestehen
gelassen werden. Weiterhin ist eine Kontaktleiterschicht ebenfalls
unmittelbar über
der Verbindungsschicht
12 aufgebracht.
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Diese
Kontaktschicht wird auf dieselbe Weise wie die n-Schicht 14 geätzt. Ein
nicht entfernter Teil 45 dieser Schicht bildet mit einem übrig gebliebenen
Teil 44 der n-Schicht 14 eine Elektrode einer
PIN- oder NIP-Diode. Da die n-Schicht 14 vernetzt ist,
ist auf diese Weise jede Diode, die um das Liefern des zum Bilden
eines Bildpixels bestimmten Signals konkurriert, auf eine bessere
Weise als im Stand der Technik individualisiert.
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Das
die sensible Schicht 16 der Dioden bildende photosensible
Material ist ein amorphes Material, zum Beispiel amorphes Silizium
oder amorpher Kohlenstoff oder amorphes kohlenstoffhaltiges Silizium
oder amorphes Germanium oder sogar amorphes Germanium-Silizium.
Es ist festzuhalten, dass diese Aufzählung nicht erschöpfend ist.
Eine Herstellungsweise für
die in 2 verwirklichte Struktur wird in diesem Patent
unter Bezug auf die 3 bis 7 dieses
Patents beschrieben, die jede die Struktur bei verschiedenen Stufen
ihrer Herstellung darstellen.
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Die
Bedeutung einer wie in 1 oder 2 dargestellten
Struktur ist das Trennen des Detektionsteils von dem Adressier-,
Verbindungs- und Signalverarbeitungsteil. Auf diese Weise bilden
die Schichten 14, 16, 18 und 24 zusammen
einen Detektionsbaustein 50. Das Substrat 10 und
die mit diesem Substrat verbundenen Verbindungs- und gegebenenfalls
Signalverarbeitungsschaltkreise bilden einen Verarbeitungsbaustein.
Diese beiden Bausteine sind durch den Verbindungsbaustein 12 miteinander verbunden.
Dieser modulare Weg ermöglicht
das Herstellen wohlfeiler, kompakter, hochintegrierter Abbildungsvorrichtungen,
das heißt
die eine große
Anzahl individueller Detektoren je Flächeneinheit umfassen und wenig
Strom verbrauchen.
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Ein
Nachteil dieses Strukturtyps, bei dem die aktive Matrix aus einem
amorphen Material besteht, ist, dass sein Leistungsverhalten mittelmäßig ist,
was die Dynamik des Signals und den Erhalt der Leistungseigenschaften
beim Altern angeht. Von amorphem Silizium zum Beispiel ist bekannt,
dass es eine große
Fehlstellendichte in der Größenordnung
von 1016 je cm3 aufweist.
Diese Fehlstellen bewirken eine Begrenzung der möglichen Betriebsgeschwindigkeit, da
sie eine Remanenz des gelieferten Signals und damit des Bilds auslösen. Diese
Strukturen sind somit zu einer Verwendung zum Herstellen aufeinanderfolgender
Bilder mit hoher Wiederholungsfrequenz ungeeignet. Schließlich verschlechtert
sich die Struktur regelmäßig während des
Belichtungszeitraums, was der Lebensdauer der Abbildungsvorrichtung
abträglich
ist. Außerdem
weist sie das Risiko einer Schädigung,
ja sogar Zerstörung
bei starker Belichtung auf.
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Der
Referenzartikel [2] berichtet über
unterschiedliche bestehende UV-Detektoren.
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Herkömmlicherweise
sind die zum UV-Nachweis verwendeten Halbleiterdetektoren P-I-N-Dioden aus kristallinem
Silizium. Kürzlich
sind Materialien des Typs GaAIN und SiC zum Herstellen gegenüber sichtbarem
Licht (visible-blind) und Sonnenstrahlen (solarblind) unsensibler
UV-Detektoren verwendet worden.
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Das
Dokument von Afanasev V. P. et al. „Photodetector structures
based an amorphous hydrogenated silicon with noncrystalline inclusions" HUETTE des Ingenieurs
Taschenbuch, 12.12.2001, Bd. 68, Nr. 12, Seiten 949–951, beschreibt
einen Sensor der polymorphes Silizium enthält.
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Das
1996 angemeldete Patent
US-5
682 037 [3] beschreibt ein Beispiel der Herstellung eines UV-Sensors
aus SiC. In der Beschreibung des Stands der Technik in diesem Patent
wird am Anfang von Spalte 2 zuerst Folgendes angegeben: „Die Photodioden
aus kristallinem Silizium weisen einen optimalen Wirkungsgrad im
sichtbaren Bereich auf und sie können
nur nach aufwendigen und teuren optischen Behandlungen zur UV-Detektion
verwendet werden. Sie erfordern Niederspannungsstromversorgungen
und können
zu einem Netzwerk mit Abmessungen von einigen cm angeordnet werden.
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UV-CCD-Vorrichtungen
sind Bauteile auf der Grundlage kristallinen Siliziums, die ebenfalls
eine sehr spezielle Behandlung erfordern. Diese sind Multikanaldetektoren,
die sehr empfindlich sind und insbesondere, wenn sie bei niedriger
Temperatur arbeiten, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen. Die
durch Licht erzeugten Elektronen werden in einer Pixelmatrix gesammelt
und anschließend
sequentiell ausgelesen. Es ist auf diese Weise möglich, ein Bild zweidimensional
wiederherzustellen. Bei der UV-Detektion durch CCD-Vorrichtungen
gibt es wenigstens drei Hauptnachteile, nämlich die Kosten, die Unmöglichkeit,
zweidimensionale CCD-Matrizen mit großen Abmessungen zu erhalten
und die Notwendigkeit, sichtbares Licht oder andere Strahlungen
zu filtern, wenn die zu detektierende UV-Strahlung vor einem Hintergrund
aus sichtbarem Licht oder anderen Strahlungen detektiert werden
soll.
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Die
in dem Patent [3] beschriebene Erfindung ist auf das Lösen des
Problems des Filterns sichtbarer und infraroter Strahlung, des Stromverbrauchs,
der hohen Integration und zusätzlich
auf geringere Kosten gerichtet.
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Die
beschriebene Erfindung ermöglicht
die Optimierung sowohl der Dicke und des Absorptionskoeffizienten
der den Übergang
bildenden Schicht aus amorphen Leitern als auch der geometrischen Form
eines als Frontelektrode dienenden Metallgitters. Außer dem
Erhöhen
des Wirkungsgrads, so dass er im UV am höchsten ist, ermöglicht die
Erfindung die Einstellung des Betriebsbereichs des Detektors, um
ihm in Abhängigkeit
von der Anwendung das Detektieren naher oder ferner UV-Strahlung
zu ermöglichen.
Es wurde bereits gezeigt, dass durch Beeinflussen der Auftragsparameter
und der Konzentration der Verunreinigungen in der Siliziumlegierung
die Absorption die Absorption sichtbaren oder infraroten Lichts
optimiert werden kann. Die zu optimierenden physikalischen Parameter
sind das Absorptionsprofil und die Detektordicke. Diese Optimierung
kann durch Kontrollieren der Auftragsparameter, das heißt insbesondere
der Auftragsdauer und des Prozentsatzes Kohlenstoff in der Legierung
erhalten werden.
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Die
Optimierung und die Reproduzierbarkeit der Dicke der Schichten werden
durch Kontrollieren der Radiofrequenzentladung (Glühentladung)
des Auftrags ermöglicht.
Der Absorptionskoeffizient, den das hydrierte, amorphe Silizium
ermöglicht,
hängt selbst
von den grundlegenden Materialeigenschaften wie etwa der Breite
des verbotenen Bands des Halbleiters und der Zustandsdichte in dem
Band ab. Diese hängen
wiederum auf komplizierte Weise von den Wachstumsparametern der
Schicht ab. Eine einfache und reproduzierbare Weise zum Verändern des
Profils des Absorptionskoeffizienten als Funktion der Wellenlänge ist
das Bilden von Silizium/Kohlenstoff- oder Silizium/Germanium-Legierungen
mit bekannten Prozentanteilen. Dies wird durch Einleiten eines kontrollierten
Stroms von Methan- beziehungsweise Germangas in die Beschichtungskammer
erreicht. Die erhaltene Kohlenstoff/Silizium-Legierung ist ein amorpher
Halbleiter mit einem verbotenen Band höherer Energie als amorphes
Silizium, was die Absorption sichtbaren und infraroten Lichts verglichen mit
UV-Licht benachteiligt.
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Die
erhaltene a-Si-C-Legierung sollte jedoch keinen zu hohen Prozentsatz
Kohlenstoff bezogen auf Silizium aufweisen, da seine elektronischen
Eigenschaften darunter leiden würden."
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In
Verbindung mit den 1a und 1b dieses
Patents [3] wird die allgemeine Ausführungsweise der Erfindung des
Patents [3] beschrieben.
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1a stellt
eine Draufsicht eines in [3] beschriebenen Sensors dar und 1b stellt
einen Querschnitt dieses Sensors dar.
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Der
Sensor umfasst von unten nach oben wie in 1b veranschaulicht
ein Substrat 6 zum Beispiel aus Glas, aber vorzugsweise
aus Quarz, um Ultraviolettstrahlung durchzulassen. Er umfasst weiter
einen transparenten Leiter 4 und eine Schicht aus n+-dotiertem, hydriertem, amorphem Silizium.
Das sensible Material setzt sich aus zwei Teilschichten aus amorphem,
hydriertem, kohlenstoffhaltigem Silizium (a-SiC:H), wovon die eine
n–-dotiert
und die andere p–-dotiert ist, und schließlich einer
p+-Schicht 2 aus amorphem, hydriertem,
kohlenstoffhaltigem Silizium, die mit einem leitfähigen Gitter 5 bedeckt
ist, zusammen. Es wird darauf hingewiesen, dass es bevorzugt ist,
bei null Polarisation zwischen den Elektroden 4 und 5 zu
arbeiten.
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Die
Schwierigkeit besteht im Erhalten der elektrooptischen Leistungseigenschaften
unter Bestrahlung, da dass amorphe Material unter UV-Strahlung zur
Verschlechterung neigt. Weiterhin ist die externe Quantenausbeute
(die Fähigkeit
des Umwandelns von Photonen in elektrische Ladungen) wegen der Natur
des Materials niedrig.
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Im
Fall von auf kristallinem Silizium beruhenden Dioden wird das Wachstum
bei sehr hoher Temperatur (über
400°C) erreicht,
was es mit dem direkten Auftrag auf den CMOS-Ausleseschaltkreis
auf das Si-Substrat unverträglich
macht.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung hat einen Lichtsensor, insbesondere im sichtbaren
Wellenlängenbereich,
allein oder in einer Anordnung zusammen eine Abbildungsvorrichtung
bildender Sensoren zum Gegenstand. Die vorliegende Erfindung ist
ferner darauf gerichtet, die Herstellung einer UV-Abbildungsvorrichtung
auf einem Schaltkreis, zum Beispiel einem CMOS-Schaltkreis dadurch
zu ermöglichen,
dass die sensible Schicht bei einer niedrigeren Temperatur, zum
Beispiel in der Größenordnung
von 300°C
oder weniger aufgetragen werden kann.
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Ein
gegebenenfalls in einer Matrix aus zusammen eine Abbildungsvorrichtung
bildender Sensoren angeordneter Lichtsensor weist gemäß der vorliegenden
Erfindung weiter die Vorteile des vorstehend beschriebenen modularen
Systems auf:
verbessertes Zeitverhalten, das heißt die Anstiegs- und
Abfallzeiten der Werte des entsprechend der Änderungen der Belichtung gelieferten
Signals folgen diesen Änderungen
genauer, selbst wenn diese Änderungen
schnell sind,
niedriger Bildrückhalt und daher das Ermöglichen, aufeinanderfolgende
Bilder mit hoher Wiederholungsrate zu erzeugen,
bessere Alterungsbeständigkeit
und erhöhte
Beständigkeit
gegenüber
starker Belichtung.
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Weiterhin
sind die mit den Sensoren gefertigten Abbildungsvorrichtungen an
eine hohe Integration angepasst, das heißt sie arbeiten selbst bei
einer großen
Anzahl Pixel je Flächeneinheit
genau.
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Insbesondere
bietet die Erfindung eine starke Zunahme der Empfindlichkeit bei
Wellenlängen zwischen
10 und 400 nm, während
die Störempfindlichkeit
nach 700 nm verringert wird.
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Schließlich ist
es mit einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung
möglich,
einen größeren Bereich
von Ausleseschaltkreisen, insbesondere Ausleseschaltkreise mit einer
Polarisationsumschaltung zwischen jedem Auslesen zu verwenden. Diese Möglichkeit
eröffnet
sich aufgrund der hohen zeitlichen Dynamik des photosensiblen Materials.
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Zu
allen diesen Zwecken bezieht sich die Erfindung auf einen einzelnen
Sensor oder eine eine Abbildungsvorrichtung bildende Sensorengruppe, wobei
jeder Sensor ein einem Bildpixel entsprechendes Signal liefert,
umfassend:
einen Detektionsbaustein mit einer Detektionszone aus
photosensiblem Material,
einen Baustein zur Adressierung und
eventuellen Verarbeitung von Signalen, die von dem Sensor oder den
Sensoren stammen, wobei dieser Baustein insbesondere einen Adressierschaltkreis
umfasst, und
einen Verbindungsbaustein zwischen dem Detektionsbaustein
und dem Adressierbaustein befindlich, wobei dieser Baustein Verbindungselemente
umfasst, die Pixel der Abbildungsvorrichtung mit dem Adressierschaltkreis
verbinden, um die von den Sensoren stammenden Signale zu individualisieren,
dadurch
gekennzeichnet, dass das photosensible Material des Detektionsbausteins
mindestens eine Schicht aus polymorphem Silizium enthält, und
dadurch, dass auf Elementen Elektroden ausgebildet sind, wobei diese
Elektroden eine elektrisch mit einem Element gekoppelte untere Fläche haben
und eine obere Oberfläche
der Elektrode dabei eine größere Flächendimension
aufweist als die untere Fläche
in Kontakt mit dem Ele ment.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf einen Sensor oder eine Sensorgruppe
für Ultraviolettstrahlung,
wobei jeder Sensor ein einem Bildpixel entsprechendes Signal liefert,
umfassend:
einen Detektionsbaustein mit einer Detektionszone aus
photosensiblem Material, einen Baustein zur Adressierung und eventuellen
Verarbeitung von Signalen, die von den Sensoren stammen, und
einen
Verbindungsbaustein zwischen dem Detektionsbaustein und dem Adressierbaustein
befindlich,
dadurch gekennzeichnet, dass das photosensible Material
des Detektionsbausteins polymorphes Silizium mit einer Dicke unter
0,4 μm und
bevorzugt zwischen 0,01 und 0,05 μm
enthält,
und dadurch, dass auf Elementen Elektroden ausgebildet sind, wobei diese
Elektroden eine elektrisch mit einem Element gekoppelte untere Fläche haben
und eine obere Fläche,
und die obere Oberfläche
der Elektrode dabei eine größere Flächendimension
aufweist als die untere Fläche
in Kontakt mit dem Element.
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Die
Selektivität
des sensiblen Frequenzbereichs kann durch die Wahl einer Temperatur
für den Auftrag
der Schicht aus polymorphem Silizium zwischen 150°C und 250°C und einem
Druck zwischen 1300 und 1800 mTorr bestimmt werden.
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Polymorphes
Silizium weist eine niedrige Zustandsdichte von Störungen in
der Mitte des verbotenen Bands und ein hohes Produkt aus der Trägerbeweglichkeit
und der Lebensdauer dieser Träger
auf. Zu diesem Thema kann auf den Referenzartikel [4] verwiesen
werden, dessen Zitat am Dokumentende erscheint. Folglich wird die
zeitliche Dynamik, das heißt
die Fähigkeit
eines auf diese Weise hergestellten Detektors, den zeitlichen Änderungen
einer Belichtung zu folgen, bei hohen Geschwindigkeiten der Belichtungsänderung
oder elektrischen Polarisation verbessert. Der Bildrückhalt wird
verringert und es wird daher möglich,
aufeinanderfolgende Bilder mit großer Wiederholungsfrequenz zu
erzeugen. Es wurde weiterhin festgestellt, dass das Leistungsverhalten
einer mit einer erfindungsgemäßen Struktur
hergestellten Abbildungsvorrichtung eine bessere zeitliche Stabilität, insbesondere
unter starker Bestrahlung zeigte.
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Bevorzugt
besteht der Verbindungsbaustein aus in Isoliermaterial eingebetteten
Elementen.
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Bevorzugt
sind die Verbindungselemente aus Aluminium oder aus Kupfer oder
aus Wolfram.
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Bevorzugt
besteht das Isoliermaterial, in das die Elemente eingebettet sind,
aus einem Stapel dielektrischer Schichten, die Bragg-Spiegel bilden.
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Bevorzugt
ist die obere Oberfläche
der Elektroden muldenförmig.
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Bevorzugt
ist ein unterer Teil jeder Elektrode in eine Isolierschicht eingebettet
und befindet sich ein oberer Teil dieser Elektrode über bzw.
auf dieser Isolierschicht.
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Bevorzugt
besteht die einen unteren Teil der Elektroden umgebende Isolierschicht
aus einem Schichtenstapel, der Bragg-Spiegel bildet.
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Bevorzugt
sind die Elektroden aus Aluminium oder aus Kupfer oder aus Wolfram
oder aus Titan oder aus Titannitrid oder aus Chrom oder aus einem dotierten
Halbleiter oder aus einem organischen Leiter oder aus einem leitfähigen Oxid
oder auch aus einem Verbundstapel der vorstehend angeführten Materialien.
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Bevorzugt
befindet sich die Schicht aus polymorphem Material über der
das Isoliermaterial und die Elektroden umfassenden Schicht.
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Bevorzugt
weist wenigstens eine obere Schicht aus Silizium einen Kohlenstoff
enthaltenden unteren Teil und einen Bor enthaltenden oberen Teil auf.
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Bevorzugt
ist die Dicke der polymorphen Materialschicht eines Sensors oder
Sensorgruppe für sichtbares
Licht zwischen 0,5 und 2 μm.
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Bevorzugt
ist die das polymorphe Silizium umfassende Detektionszone eine intrinsische
Zone einer PIN- oder NIP-Diode.
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Es
wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Gruppe von Photodetektoren
gemäß einer
Ausführungsform
dieser Gruppe beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass:
nach
der Herstellung eines insbesondere einen Adressierschaltkreis und
gegebenenfalls Signalverarbeitungsschaltkreise enthaltenden Substrats
eine
oder mehrere Isoliermaterialschichten aufgebracht werden,
diese
Schicht geätzt
wird, um in dieser Schicht Löcher
zu bilden,
einige Löcher
mit einem leitfähigem
Material gefüllt werden
und dadurch Verbindungselemente (5, 5') gebildet werden,
gegebenenfalls
ein mechanisch-chemisches Polieren ausgeführt wird,
eine oder mehrere
Teilschichten aus Isoliermaterial aufgetragen werden,
diese
Teilschicht aus Isoliermaterial über
Elementen geätzt
wird,
eine Schicht über
der geätzten
Isolierschicht aufgetragen wird, wodurch auf diese eine nicht-planare Schicht
aus leitfähigem
Material gebildet wird und sich Mulden über den Elementen zeigen,
die
Schicht aus leitfähigem
Material, die soeben aufgetragen wurde, so geätzt wird, dass von einander getrennte
Elektroden gebildet werden,
eine Schicht aus nicht absichtlich
dotiertem, polymorphen Material aufgetragen wird,
eine dotierte
Schicht aufgetragen wird, und
schließlich eine Schicht aus einem
leitfähigen
Material aufgetragen wird, die die obere Elektrode bildet.
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Bevorzugt
ist die Auftragstemperatur des polymorphen Materials zwischen 175°C und 250°C und der
Auftragsdruck zwischen 1300 und 1800 mTorr.
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Bevorzugt
wird der Auftrag des polymorphen Materials durch einen Auftrag einer
wenigstens auf ihrem unteren Teil Kohlenstoff enthaltenden Schicht gefolgt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun mit Hilfe der angefügten Zeichnungen beschrieben,
worin
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die
bereits beschriebene 1 einen Querschnitt einer Photodetektorstruktur
gemäß dem Stand
der Technik zeigt;
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die
bereits beschriebene 1a eine Draufsicht einer Photodetektorstruktur
gemäß dem Stand der
Technik zeigt;
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die
bereits beschriebene 1b einen Querschnitt dieses
in 1a dargestellten Photodetektors gemäß dem Stand
der Technik zeigt;
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die
bereits beschriebene 2 einen Querschnitt eines Photodetektors
gemäß dem Stand
der Technik zeigt;
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die 3 eine
schematische Darstellung der Struktur eines polymorphen Siliziums
ist;
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4 bis 6 verschiedene Charakterisierungsweisen
eines polymorphen Siliziums zeigen;
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4 das
Exodiffusionsspektrum des polymorphen Siliziums darstellt;
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5 Kurven
des Infrarotabsorptionsspektrums darstellt;
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6A und 6B ein
hochaufgelöstes elektronenmikroskopisches
Bild (HRTEM) eines polymorphen Materials beziehungsweise sein räumliches
Fourier-transformiertes Äquivalent
zu einem Elektronenbeugungsspektrum veranschaulichen;
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7 eine
Ausführungsform
der Erfindung darstellt, die 2 entspricht
und bei der das photosensible Material aus polymorphem Silizium
besteht;
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8 eine
besondere Ausführungsform
der Erfindung gemäß zweier
Varianten darstellt;
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9 Kurven
für den
Restdunkelstrom geteilt durch den Photonenstrom als Funktion der
optischen Leistung für
amorphes Silizium einerseits und polymorphes Silizium andererseits
darstellt;
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10 in
einem orthonormalen Bezugssystem Werte der Oberflächendichte
des Leckstroms für verschiedene
Pixelgrößen darstellt;
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11 eine
Ausführungsform
der Erfindung darstellt, bei der das photosensible Material polymorphes
Silizium ist;
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12 eine
Draufsicht eines erfindungsgemäßen Detektors
darstellt, bei dem die obere Elektrode durch zwei Kämme mit
ineinandergreifenden Zähnen
gebildet wird;
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13 in
einem orthonormalen Bezugssystem Werte der Oberflächendichte
des Leckstroms für verschiedene
Pixelgrößen darstellt.
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GENAUE BESCHREIBUNG BESONDERER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie
bereits vorstehend unter Bezug auf den Stand der Technik erläutert, besteht
die Erfindung aus dem Ersetzen des die aktive Schicht bildenden amorphen
Materials durch polymorphes Silizium.
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Zuerst
wird ausgeführt,
wie es möglich
ist, polymorphes Silizium von amorphem Silizium bei der Untersuchung
zu unterscheiden. Die Struktur polymorphen Siliziums ist in 3 schematisch
dargestellt. Das polymorphe Silizium umfasst eine Matrix 100,
in der Aggregate und Nanokristalle 101, 102, usw.
n, wobei n größer als 102 ist,
die durch schwarze Flecken mit veränderlicher Form und Größe veranschaulicht
werden, enthalten sind. Mit Mikroskopiemessungen kann gezeigt werden,
dass die die Nanokristalle enthaltende Matrix eine Ordnung mit einem
mittleren Abstand zwischen dem zweiten und sechsten Nachbaratom
zeigt. Die Nanostruktur polymorphen Siliziums wird insbesondere
auch durch die Infrarotabsorption, Mikroskopie und Ramanspektroskopie
charakterisiert. Sie kann auch durch ein eindeutig von dem amorphen
Siliziums verschiedenes Wasserstoffexodiffusionsspektrum charakterisiert werden.
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Unterschiede,
die zwischen amorphem Silizium und polymorphem Silizium beobachtet
werden können,
werden zum Beispiel in den 4 bis 6 angegeben.
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4 stellt
das Exodiffusionsspektrum von polymorphem Silizium dar. Dieses Spektrum
wird durch die Kurven definiert, die den Wasserstoffpartialdruck
in Millibar bezogen auf die Materialtemperatur in °C darstellen.
Die Art und Weise zum Anfertigen dieser Spektren ist in der Technik
wohlbekannt. Erläuterungen,
die das grobe Verstehen, dessen worum es sich handelt, erlauben,
werden nachstehend zum Erleichtern des Verständnisses angegeben. Der Partialdruck
des aus dem Material austretenden Wasserstoffs wird als Funktion
der Tempertemperatur gemessen. Der Wasserstoff ist in verschiedenen Atomkonfigurationen,
die eine unterschiedliche Bindungsenergie aufweisen, an das Material
gebunden. Jede Bindungskonfiguration entspricht daher einer Wasserstofffreisetzungskurve
als Funktion der Temperatur, die die Gestalt einer Glockenkurve
mit einem Gipfelpunkt aufweist. Das Spektrum von amorphem Silizium
weist die durch die Kurve a dargestellte Gestalt auf. Es weist nur
einen Gipfelpunkt zwischen 500 und 600°C auf, der mit dem in der amorphen
Matrix gleichförmig
verteilten Wasserstoff verbunden ist. Die Kurven b, c, d beziehungsweise
e stellen Kurven der Wasserstofffreisetzung dar, die jeweils einer
spezifischen Konfiguration der Wasserstoffbindung entsprechen. Wenn
die Exodiffusion von polymorphem Silizium gemessen wird, wird die
Kurve f erhalten, die der Resultierenden der verschiedenen Bindungskonfigurationen
des Wasserstoffs entsprechen, die in dem polymorphen Material vorhanden
sind. Die Gestalt der Kurve f charakterisiert so den Einbau von Wasserstoff
an der Oberfläche
von Aggrega ten und Nanokristallen und in die eine mittelreichweitige
Ordnung aufweisende Matrix.
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Eine
weitere Art und Weise des Unterscheidens von polymorphem Silizium
bezüglich
amorphen Siliziums wird nun unter Bezug auf 5 beschrieben,
die das Infrarotabsorptionsspektrum in der Zone darstellt, deren
in cm–1 ausgedrückte Wellenzahl
zwischen 1900 und 2200 liegt. Die Absorption in willkürlichen
Einheiten wird als Ordinate aufgetragen und die Wellenzahl wird
als Abszisse aufgetragen. Die Kurve d stellt das experimentelle
Ergebnis aus der Absorptionsmessung dar. Die Kurven a, b beziehungsweise
c stellen die Kurven dar, die durch eine Dekonvolutionsberechnung
erhalten wurden, die angestellt werden kann, da die verschiedenen
Elementabsorptionspeaks bekannt sind. Diese Dekonvolution des experimentellen
Spektrums beweist für
das polymorphe Silizium die Anwesenheit eines zusätzlichen
Peaks p zwischen 2030 und 2050 cm–1.
Dieser Peak entspricht der Kurve b. Die Lage des Peaks hängt von
den Herstellungsbedingungen des polymorphen Siliziums ab.
-
Schließlich wird
in 6A und 6B ein Schema
eines hochaufgelösten
Bilds dargestellt, das durch Transmissionselektronenmikroskopie
(HRTEM) des polymorphen Materials erhalten wurde, bei dem Kristalle
mit einigen Millimeter Durchmesser unterschieden werden können. Diese
Nanokristalle erscheinen auf der Photographie als Regionen, bei
denen zu einander parallele Linien unterschieden werden können. Diese
Nanokristalle werden in 6A durch
Regionen dargestellt, innerhalb deren zu einander parallele, gestrichelte
Linien auftreten. Die räumliche
Fourier-Transformation des Bilds der amorphen Zone erlaubt den Nachweis
einer mittelreichweitigen Ordnung. Diese Transformation ist in 6B schematisch
dargestellt. Die mittelreichweitige Ordnung zeigt sich durch das
Vorhandensein einen gemeinsamen Punkt umgebender Ringe. Bei amorphem
Silizium sind zwei Ringe und möglicherweise
ein dritter, sehr verschwommener Ring zu erkennen. Bei polymorphem
Silizium können
4 Ringe unterschieden werden, die sich in 6B durch
das Vorhandensein weißer
und schwarzer Ringe zeigen. Außerdem
weisen die Ringe eine größere Intensität und eine
dünnere
Breite als im Fall des amorphen Siliziums auf. Zu diesem Thema kann
auf den am Ende der Beschreibung zitierten Referenzartikel [5] verwiesen
werden.
-
Ein
erstes Herstellungsbeispiel für
eine Gruppe erfindungsgemäßer Photodetektoren
wird nun unter Bezug auf 7 beschrieben. Diese Figur gibt
die 2 des Stands der Technik genau wieder. In dieser
Figur bezeichnen die Elemente mit derselben Bezugsziffer wie die
der 2 Elemente mit derselben Funktion und die auf
dieselbe Wei se hergestellt werden können. Was die 7 betrifft,
die der Ausführungsform
der 2 betrifft, ist der einzige Unterschied, dass
das die i-Schicht 16 bildende amorphe Material nun durch
eine Schicht aus polymorphem Silizium ersetzt ist. Die n-Schicht 14 wurde so
beschnitten, dass nur Elektroden 84 übrig gelassen wurden. Die i-Schicht 16 und
p-Schicht 18 werden als 76 beziehungsweise 78 bezeichnet.
Die Kontaktschicht 45 ist durch eine Kontaktschicht 85 ersetzt.
-
Es
wird nun unter Bezug auf 8 eine bevorzugte Ausführungsform
beschrieben.
-
Diese
Ausführungsform
unterscheidet sich von Ausführungsformen
des Stands der Technik, insbesondere der in 2 beschriebenen,
einerseits wie im allgemeinen Fall durch die Verwendung eines polymorphen
Materials zum Bilden der aktiven Schicht, aber auch durch die Ausführungsform
der als 12' in 8 dargestellten
Verbindungsschicht und durch die Form der Elektroden, wovon zwei
in 8 unter den Bezugsziffern 94 und 64 dargestellt sind.
-
Bei
den unter Bezug auf 8 oder 9 beschriebenen
Ausführungsformen
kann das Substrat 10 jede bereits im Stand der Technik
bekannte Konfiguration aufweisen. Dieses Substrat wird daher nicht
beschrieben.
-
Sowohl
eine Ausführungsform
der Schicht 12',
die den Verbindungsbauteil 12' gemäß dieser Ausführungsform
der Erfindung bildet als auch Verfahren zum Herstellen dieses Bausteins über dem Substrat 10 werden
nun beschrieben.
-
Diese
Schicht umfasst Leiterelemente 5, 5', die in ein die Seitenräume 2, 3 und 4 zwischen
den Elementen 5, 5' vollständig ausfüllendes
Isoliermaterial eingebettet sind.
-
Zwei
Ausführungsform
der Verbindungselemente sind in 8 als 5 und 5' dargestellt.
Diese Elemente sind über
dem Substrat 10 ausgebildet. Bei dem in 8 dargestellten
Beispiel sind die Elemente 5 und 5' zylinderförmig. Die Elemente könnten auch
bikubisch oder kegelförmig
sein, wobei sich ihre kleinste Grundfläche zum Beispiel auf der Substratseite
befindet oder Grundflächen
unterschiedliche Flächen,
zum Beispiel hexagonale aufweisen. Die Anzahl dieser Elemente ist
gleich der oder höher
als die Anzahl der Pixel der Abbildungsvorrichtung, die zu bilden
gewünscht
wird. Zu diesem Thema kann auf das Referenzpatent [6] verwiesen
werden, in dem in Verbindung mit der 7 dieses
Patents eine Abbildungsvorrichtung beschrieben wird, bei der Verbindungsbrücken 56 andere
Funktionen als die Funktionen zum Verbinden einer Diode mit einem
Adressierschaltkreis bereitstellen. Die in Verbindung mit der an die
vorliegende Anmeldung angefügten 8 beschriebenen
Elemente 5, 5' der
Ausführungsform
der Erfindung sind aus Aluminium gebildet.
-
Die
Elemente 5, 5' können auch
transparent, ein- oder zweischichtig mit jeder Größe und geometrischen
Form sein. Ihre Funktion ist das Übertragen der elektrischen
Information zwischen dem Substrat 10 und der Diode. Dies
erfordert insbesondere eine gute mechanische Haftung zwischen einem
Verbindungselement 5 und der unteren Elektrode 64, 94.
-
Verfahren
zum Bilden der Verbindungselemente 5 sind auf dem Gebiet
der Mikroelektronik und der Optoelektronik wohlbekannt. Die Elemente 5 können zum
Beispiel durch Auftragen einer durchgängigen leitfähigen Schicht,
durch Ätzen
von Gräben
um die Elemente herum und Füllen
der Gräben mit
einem elektrisch isolierenden Material hergestellt werden.
-
Selbstverständlich kann
die Schicht 12' auch und
bevorzugt durch zuerst Auftragen des Isoliermaterials und dann Ätzen von
Löchern
am Ort der Elemente 5, 5' hergestellt werden. Die Löcher werden dann
mit dem oder den die Elemente 5, 5' bildenden Leitermaterial(ien)
gefüllt.
-
Bei
den beiden Herstellungsverfahren, die soeben beschrieben wurden,
wird die in 8 durch die Schicht 12' dargestellte
Form erhalten, wo sich Isoliermaterial in den Räumen 2, 3 und 4 zwischen den
Elementen 5, 5' befindet.
Ein wahlfreies zusätzliches
mechanisch-chemisches Polieren ermöglicht danach den Erhalt einer
planen Oberfläche.
-
Die
Form der Elemente 5 ergibt sich zum Teil aus der Ätzgeometrie
und zum Teil aus dem Ätzverfahren.
-
Es
ist ferner möglich,
Lift-off-Techniken oder jedes andere zum Erhalten dieses Strukturtyps
bekannte Verfahren zu benützen.
-
Die
Materialien der Elemente 5 oder 5' sind im allgemeinen vom Metalltyp
wie Aluminium, Kupfer oder Wolfram, es ist aber auch möglich, andere
leitfähige
Materialien wie Titan, Titannitrid, ein transparentes, leitfähiges Oxid,
ein leitfähiges,
organisches Material oder jedes andere Material zu verwenden, das
eine elektrische Leitung sicherstellt, ohne die mechanische Haftung
zwischen dem Element und der sich darüber befindenden Elektrode zu
beeinträchtigen.
Ein anderes wichtiges Merkmal der Elemente 5, 5' ist, dass sie
sich im Lauf der Zeit nicht zu sehr durch Oxidation oder Elektromigration
oder unter Temperatureinwirkung verschlechtern. Das verwendete Element 5 sollte
ohne beeinträchtigt
zu werden insbesondere die Temperatur beim Auftrag der den Detektionsbaustein 50 bildenden
Materialien, typischerweise eine Temperatur von 300°C während mindestens
einer Stunde aushalten.
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Später ist
zu erkennen, dass beim Auftrag des photosensiblen Materials angenommen
wird, dass das mit der Schicht 12' versehene Substrat 10 dieser
Temperatur mindestens eine Stunde ausgesetzt werden kann. Die Diffusionskonstante
des ein Element 5 bildenden Materials sollte ausreichend klein
sein, um die Isolierung zweier benachbarter Pixel am Ende des Temperns
bei 300°C
während
einer Stunde nicht zu gefährden.
Ferner sollten die in den Räumen 2, 3 und 4 zwischen
Elementen und in Räumen 7, 8 und 9 zwischen
den später
zu besprechenden Elektroden verwendeten Isoliermaterialien ihre dielektrischen
Eigenschaften am Ende derselben Behandlung behalten. Diese Materialien
sind bevorzugt aus der Familie in der Mikroelektronik verwendeter Dielektrika,
zum Beispiel aus Silizium oder Siliziumnitrid, aber nicht ausschließlich ausgewählt.
-
Nötigenfalls
ist es auch möglich,
als die Seitenräume
zwischen Elementen und/oder Elektroden einen Stapel dielektrischer
Schichten zu verwenden, um Bragg-Spiegel zum Hindern des Lichts
am Erreichen des Substrats herzustellen. Jede Verbundmaterialanordnung
mit irgendeiner Form oder Geometrie kann verwendet werden, vorausgesetzt,
dass sie die Anforderungen an die elektrische Isolierung, mechanische
Stabilität
und Beständigkeit
bei der Zeit und Temperatur erfüllen.
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Die
Form der Elektroden 64, 94 und das Verfahren zu
ihrer Herstellung werden nun beschrieben.
-
Es
versteht sich, dass die Elektroden bei derselben Abbildungsvorrichtung
alle, aber nicht notwendigerweise dieselbe Form aufweisen können.
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Die
Elektroden 94 und 64 weisen bevorzugt eine solche
Form auf, dass die Oberfläche 13 ihrer mit
einem Element 5 in Kontakt befindlichen Zonen kleiner als
die gegenüberliegende
Oberfläche 13' ist, die mit
der i-Schicht 76 in Kontakt steht. Die Kontaktfläche 13 zwischen
einer Elektrode 94, 64 und dem Kontaktelement 5 kann
wie in 8 für
die Elektrode 94 dargestellt kleiner als die Oberfläche eines
Elements 5 oder im Gegensatz dazu wie bei 64 dargestellt
gleich sein. Bei dem in 64 dargestellten Fall ist die Oberfläche des
Elements 5' kleiner
als die untere Oberfläche 13 der
Elektrode 64. Die der Kontaktoberfläche 13 der Elektrode 94 gegenüberliegende
Oberfläche 13' weist eine
Form auf, die eine größere Elektrodenfläche in einem
identischen eingenommenen Raum ergibt. Dies bedeutet, dass die obere
Oberfläche 13 der
Elektrode 94 größer als
die Fläche
eines Querschnitts 17 des Pixels ist. Der Querschnitt dieser Pixelfläche wird
in 8 gestrichelt dargestellt. Durch die Konkavheit
der Elektrode 94 kann diese Elektrode mit einer größeren Oberfläche versehen sein.
Ferner weist bei dem in 64 dargestellten Beispiel die obere
Oberfläche 13' der Elektrode
eine größere Fläche als
die von einem Querschnitt des Pixels eingenommene Fläche auf.
Isolierendes Material füllt die
Räume 7, 8 und 9,
die sich in seitlicher Position um einen unteren Teil der Elektroden
herum befinden, vollständig
aus.
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Das
Isoliermaterial, das die Bereiche 2, 3 und 4 zwischen
den Elementen 5, 5' und 7 und 8 und 9 zwischen
den Elektroden 94, 64 auffüllt, gestattet das Vermeiden
von Leckströmen
zwischen Elementen 5, 5' und mehr noch von Kurzschlüssen. Die
Elektroden 94, 96 haben den Zweck, den elektrischen Kontakt
zwischen der i-Region aus polymorphem Silizium und den Elementen 5 sicherzustellen.
-
Die
Elektroden 94, 96 werden ebenfalls durch Standardverfahren
der Mikroelektronik wie zum Beispiel durch Auftrag einer durchgängigen dielektrischen
Schicht und dem Ätzen
von Löchern
erhalten, wobei dieses Ätzen
die seitlichen Räume 7, 8 und 9 zwischen
Elektroden übrig
lässt.
Anschließend wird
der Auftrag der das Elektrodenmaterial bildenden leitfähigen Schicht(en)
ausgeführt.
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Die
Muldenform der Elektroden ergibt sich somit natürlicherweise aus dem Vorhandensein
von Löchern
in der geätzten
Isolierschicht. Das Ätzen
der leitfähigen
Schicht der Zonen 22 zwischen den Elektroden 94, 64 ermöglicht eine
Trennung der Elektronen 94, 64 untereinander.
-
Die
Elektroden können
auch und bevorzugt aus einem Stapel Schichten gebildet sein, der
insbesondere wie in 8 oder 9 dargestellt
zwischen der Schicht 76 und der Elektrode 64, 94 eine Schicht 23 aus
TiN oder Ti umfasst, die die Rolle einer Diffusionssperre spielt.
Die Elektrode 94 oder 64 kann auch mit einer dotierten
Siliziumschicht oder einer dotierten Oberflächenschicht des n- oder p-Typs aus
einer Legierung Si1-(x+y)GexCy (x zwischen 0 und 1; y zwischen 0 und 1)
oder einer durch Ionen, zum Beispiel Metallionen aber nicht ausschließlich, dotierten
Halbleiterschicht enden. Die Elektroden 94 und 64 können auch
durch eine Schicht aus organischen Leitern wie zum Beispiel einem
organischen Polymer verkapselt werden.
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Die
die Elektroden 94 und 64 bildenden Materialien
sind aus leitfähigen
Materialien ausgewählt, vorausgesetzt,
dass sie die Anforderungen an die mechanische, chemische und thermische
Stabilität und
die Stabilität über die
Zeit erfüllen,
die mit den Nachbarmaterialien und der globalen Wärmebilanz der
Herstellung der Abbildungsvorrichtung verträglich sind. Die die Elektroden 64, 94 bildenden
Materialien sind insbesondere aus Aluminium, Kupfer, Wolfram, Titan,
Titannitrid, einem mit den Nachbarmaterialien verträglichen,
dotierten Halbleiter, einem leitfähigen, organischen Material,
einem leitfähigen
Oxid oder irgendeinem Stapel oder einer Verbundanordnung derartiger
Materialien ausgewählt.
-
Die
Region 76, die nun beschrieben wird, ist der aktive Teil
des photosensiblen Grundelements; sie umfasst wenigstens eine Region
aus polymorphem Silizium. Die Region 76 ist zum Beispiel
in dem Fall, wenn die Detektionsdioden PIN- oder NIP-Dioden sind,
eine i-Zone.
-
Die
Region 76 umfasst bevorzugt eine nicht mit Absicht dotierte
polymorphe Schicht, die einer Silizium und gegebenenfalls ein Dotierungsmittel
und gegebenenfalls Kohlenstoff enthaltenden Schicht benachbart ist.
Der Bereich 76 kann zum Beispiel eine Gain-Zone (zu diesem
Thema kann auf den Referenzartikel [7] verwiesen werden), dotierte
Zonen verschiedener Natur und Geometrie oder jede brauchbare Materialanordnung
oder geometrische Anordnung enthalten, vorausgesetzt, dass sie wenigstens eine
polymorphes Silizium umfassende Region enthält.
-
Bei
der in 8 dargestellten Ausführungsform liegt eine Schicht 79 aus
Silizium oben auf der Schicht 76 unmittelbar unter der
eine Elektrode bildenden Schicht 24 vor. Diese Schicht 79 bildet
in ihrem oberen Teil durch eine Dotierung des Siliziums durch Bor
die p-Zone der Diode. In ihrem unteren Teil kann sie vorteilhafterweise
Kohlenstoff enthalten. Auf diese Weise wird die Qualität der Grenzfläche zwischen
den i- und p-Schichten verbessert. Diese Schicht 79 kann
auch die p-Schicht 78 ersetzen, die über der in 7 dargestellten
i-Schicht erscheint.
-
Bevorzugt
weist die sensible i-Schicht 76 aus polymorphem Material
bei einem Sensor für
sichtbares Licht eine Dicke zwischen 0,5 und 2 μm auf.
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Die
in 8 dargestellte Region 24 hat wie im Stand
der Technik den Zweck, eine Elektrode zum Sammeln von Ladungen zu
bilden, während
sichtbares Licht durchgelassen wird, so dass es die Region 76 erreicht.
Sie ist bevorzugt aus ITO (Indium- und Zinnoxid) oder auf der Grundlage
jedes leitfähigen transparenten
Oxids oder anderen leitfähigen
und transparenten Materials einschließlich leitfähiger organischer Polymeren
hergestellt.
-
Überraschenderweise
wurde festgestellt, dass die Verwendung polymorphen Siliziums als
sensibles Material zu Abbildungsvorrichtungen führt, die trotz der Anwesenheit
einer großen
Zahl von Grenzflächen
zwischen der Matrix und den Nanokristallen und Aggregaten in dem
Material einen verringerten Bildrückhalt aufweisen.
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Bei
der in 9 dargestellten Ausführungsform befinden sich Schichten 78, 79 aus
Silizium oben auf der Schicht 76 unmittelbar unter einer
eine Elektrode bildenden Schicht 25, die später erläutert wird.
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Die
Schicht 79 bildet durch eine Dotierung des Siliziums durch
Bor die p-Zone der Diode. Die Schicht 78 kann vorteilhafterweise
Kohlenstoff enthalten. Auf diese Weise wird die Qualität des Kontakts
verbessert.
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Bei
einer Ultraviolettabbildungsvorrichtung weist die sensible i-Schicht 76 aus
polymorphem Material eine Dicke unter 0,4 μm und bevorzugt etwa 0,05 μm auf.
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Der
Auftrag der Schicht 76 aus polymorphem Silizium wird nun
beschrieben.
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Das
polymorphe Silizium wird durch PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced
Chemical Vapor Deposition) bei niedriger Temperatur zwischen 100
und 400°C
aus der Dissoziation reinen oder mit anderen Gasen (He, H2, Ar) gemischten Silans unter Bedingungen
hergestellt, die der Bildung von Pulver nahe verwandt sind. Im Allgemeinen
wird das polymorphe Silizium durch Einstellen der technologischen
Parameter des Plasmas erhalten, aus dem der Auftrag hergestellt
wird: Druck, Verdünnung
und Radiofrequenzleistung, die zur Bildung von Aggregaten und Nanokristallen
im Plasma führen.
Zu diesem Thema kann auf den Referenzartikel [5] verwiesen werden.
Das polymorphe Material wird daher aus dem Einbau von Aggregaten
und Nanokristallen gebildet, die dem polymorphen Silizium seine
speziellen Eigenschaften verleihen, die besonders an die Detektion
angepasst sind. Tatsächlich
führt das
Vorhandensein von Aggregaten und Nanokristallen trotz der Mikrostruktur
zu einer niedrigen Dichte von Fehlerzuständen und einem hohen Produkt
mu tau (Trägerbeweglichkeit
mal Trägerlebensdauer),
das typischerweise 100 Mal größer als
bei amorphem Silizium ist.
-
10 stellt
das bei Metall-(pm-Si:H)-Metall-Strukturen erhaltene Produkt mu
tau als Funktion der Wellenlänge
dar. Kurve 1 ist das Ansprechen einer dicken (in der Größenordnung
von 1,5 μm)
Probe polymorphen Materials, die eine geringe Selektivität (etwa
10) aufweist. Die Dicke der polymorphen Schicht war verringert,
um das Verhältnis
der Selektivität
von UV zu sichtbarem Licht zu erhöhen. Kurve 2 zeigt das Ansprechen
einer dünnen
polymorphen Schicht in der Größenordnung
von 200 Å.
Diese Kurve zeigt zwischen Wellenlängen von 200 bis 500 nm ein
im Wesentlichen konstantes Produkt mu tau. Die Wellenlängenselektivität dieses
Produkts ist daher niedrig. Kurve 3 ist das Ansprechen einer dünnen Schicht
aus polymorphem Silizium mit einer Dicke, die zu der der Kurve 2
identisch ist, die sich aber von dieser durch die Auftragsbedingungen
unterscheidet. Diese Kurve zeigt beim Überstreichen einer Wellenlänge von
200 Nanometer bis 400 Nanometer eine starke Abnahme des Produkts
mu tau, was den Erhalt einer Selektivität unter den verschiedenen Wellenlängen ermöglicht,
wobei ultraviolette Wellenlängen
bevorzugt werden. Es wird eine Selektivität in der Größenordnung von 38000 erhalten.
-
Die
in 9 dargestellte obere Elektrode für die Ultraviolettabbildungsvorrichtung
kann wie bei Referenzdokument [2] die Form eines Metallgitters aufweisen.
-
Sie
kann auch wie in 11 dargestellt die Form zweier
Kämme 27, 28 aufweisen,
deren Zähne 27', 28' jeweils ineinandergreifen.
Die beiden Kämme sind
von einander isoliert, so dass sie bei unterschiedlichen Potentialen
gehalten werden können. Schließlich kann
die Elektrode 25 auch die Form einer dünnen Silberschicht aufweisen.
Referenzartikel [6] und insbesondere seine 3 zeigen
ein unterschiedliches spektrales Ansprechen als Funktion der Dicke
der eine obere Elektrode bildenden Silberschicht. Die Silberschicht
ermöglicht
den Erhalt eines Peaks um 320 Nanometer, wobei sich die Bandbreite aus
diesem Peak verringert, wenn sich die Dicke der Silberschicht zum
Beispiel zwischen 10 Nanometer bis 130 Nanometer ändert.
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Es
ist festzuhalten, dass bei der Ausführungsform des soeben beschriebenen
Detektionsbausteins 50 eine PIN-Diode je Pixel gebildet
wird. Einer der Kontakte der PIN-Diode besteht aus der oberen Oberfläche des
Elements 5, 5'.
Die Elektroden 64, 94 können als n-dotierter Halbleiter
zum Beispiel aus mit Arsen dotiertem, amorphem, hydriertem, kohlenstoffhaltigem
Silizium a-SiC:H gefertigt sein. Die intrinsische Schicht ist aus
hydriertem Silizium pm-Si:H gebildet. Die p-Schicht 79 ist
wiederum aus mit Bor und gegebenenfalls mit Kohlenstoff dotiertem,
hydriertem, amorphem Silizium a-Si:H.
-
Es
werden nun Varianten der Ausführung des
Detektionsbausteins 50 beschrieben. Diese Varianten betreffen
unabhängig
von einander Variationen an der Schicht 76 und der Elektrode 25.
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Anstatt
wie vorstehend beschrieben in der Reihenfolge n-i-p, kann die Stapelung
der jede Diode über
den Elementen 5, 5' bildenden
Schichten auch p-i-n sein.
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Es
müssen
sich nicht zwangsläufig über jedem
Element 5, 5' Elektroden 64, 94 befinden.
Durch direktes Auftragen einer nicht absichtlich dotierten intrinsischen
i-Schicht direkt über
dem Verbindungsbaustein 12' kann
eine Sperre erhalten werden. In diesem Fall ist wenigstens die obere
Schicht der Elemente 5, 5' aus Metall, zum Beispiel aus Platin,
aus Wolfram oder aus Palladium. Eine n- oder p-Schicht kann sich über der
i-Schicht befinden.
-
Der
Schichtenstapel über
den Elementen 5, 5' kann
auch eine p-Schicht oder eine n-Schicht
und dann die i-Schicht umfassen, wobei diese i-Schicht in direktem
Kontakt mit der Elektrode 25 steht, die in diesem Fall
metallisch, zum Beispiel aus Platin, Wolfram oder Palladium ist.
-
In
allen Fallen, die soeben vorstehend beschrieben wurden, ist die
i-Schicht oder wenigstens eine Teilschicht dieser i-Schicht aus
polymorphem Silizium.
-
Überraschenderweise
wurde festgestellt, dass die Verwendung polymorphen Siliziums als
sensibles Material zu Abbildungsvorrichtungen führt, die einen verminderten
Bildrückhalt
und eine sehr hohe Sensibilität
zeigen.
-
Aus 12 erweist
sich eine Leistungssteigerung, die bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
erhalten wird. Diese Figur stellt zwei Kurven a und b dar. Jede
Kurve stellt den Dunkelstrom dar, der nach der Unterbrechung des
Lichteinfalls, dessen optische Leistung als Abszisse aufgetragen
ist, 0,2 Sekunden bestehen bleibt. Die Kurve a stellt diesen Dunkelstrom
für ein
hydriertes, amorphes Silizium dar und die Kurve b zeigt diesen selben
Strom bei einer Schicht unter Verwendung eines erfindungsgemäßen polymorphen
Siliziums. Es ist zu erkennen, dass der Dunkelstromanteil nach Löschen des
Lichts bei dem polymorphen Silizium wesentlich geringer als bei
dem amorphen Silizium ist. Daraus folgt, dass die Wirkungen eines
Rückhalts
mit einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung
erhaltener Bilder durch Verwenden eines Pixels auf der Grundlage
polymorphen Materials wesentlich vermindert sind.
-
Es
wurde weiter festgestellt, dass das polymorphe Material die Stabilität der Abbildungsvorrichtungen über den
Verlauf der Zeit, insbesondere unter Bestrahlung beträchtlich
erhöhen
kann. Mit dem polymorphen Material können Dunkelleckströme in der Größenordnung
von 10–11 pA/cm2 bei ausgezeichnetem spektralem Ansprechen
erreicht werden. Die gemessenen externen Quantenausbeuten erreichen mehr
als 30% in der Nähe
der Einfallswellenlänge von
300 nm und die Breite des verbotenen Bands des polymorphen Siliziums
ist höher
als die amorphen Siliziums, somit ist der in der Nähe von 700
nm, das heißt
im roten und nahen infraroten Bereich erhaltene Photostrom geringer,
was im Vergleich zu den CMOS-Techniken mit kristallinem Silizium
den Vorteil aufweist, dass keine Farbfilter mehr erforderlich sind, die
die infrarote Störstrahlung
ausschalten.
-
Der
Vorteil des geringen Dunkelleckstroms bleibt ungeachtet der Pixelgröße erhalten.
Die von der Anmelderin durchgeführten
und in 13 dargestellten Messungen zeigen,
dass bei polymorphem Silizium die den Dunkelleckstrom zur Pixelgröße darstellenden
Punkte im Wesentlichen denselben Ordinatenwert aufweisen: die Verringerung
der Pixelgröße beeinflusst
seinen Dunkelleckstrom wenig.
-
Liste der zitierten Dokumente
-
- [1] Patent US-6
114 739
- [2] Artikel von M. Razeghi und A. Rogalski mit dem Titel „Halbleiter-Ultraviolettdetektoren"; Applied Physics
Reviews, 15. Mai 1996, Seiten 7433 bis 7473
- [3] Patent US-5 682 037
- [4] Artikel in Journal of Applied Physics, Band 86, Nummer 2,
von R. Meaudre et al., Seiten 946–950, mit dem Titel „Bandlücken-Zustandsdichte
bei hydriertem, polymorphem Silizium"
- [5] Artikel in Journal of Non-crystalline Solids, 299–302 (2002),
Seite 284–289,
von A. Fontcuberta et al.
- [6] US-6 018 187
- [7] Artikel in Journal of Applied Physics, Band 87, Nummer 4,
von R. Vanderhaghen et al., Seiten 1874–1881, mit dem Titel „Die Ursache
der Stromverstärkung
bei Bestrahlung in amorphen Silizium-n-i-p-i-n-Strukturen"
- [8] Artikel von Marco Topic et al. – Applied Physics Letters – Band 78 – Nummer
16, S. 2387–2389