Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2019 107 895.4 in Anspruch, die am 27. März 2019 beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereicht wurde. Der Offenbarungsgehalt der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2019 107 895.4 wird hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photodiode, ein Verfah ren zum Betrieb einer Photodiode und eine Ausleseschaltung für eine Photodiode.

Die Anwendungen von Photodioden sind vielfältig. Photodioden werden beispielsweise in VR (virtuelle Realität, englisch: vir tual reality) -Anwendungen sowie AR (erweiterte Realität, eng lisch: augmented reality) -Anwendungen, wie zum Beispiel VR- o- der AR-Positionsverfolgung (englisch: position tracking) , ein gesetzt. Andere Anwendungen von Photodioden finden sich in op tischen Kommunikationssystemen, wie zum Beispiel zur Kommuni kation von Batteriezellen in Fahrzeugen, oder in Rauchdetekto ren. Derartige Systeme benötigen integrierte optische Detekto ren, die mit einer hohen Photon-Detektions-Effizienz und -Ge schwindigkeit im nahen Infrarot (englisch: near infrared, kurz: NIR) arbeiten, um sehr schnelle Lichtsignale in einem weiten Dynamikbereich mit gegebenenfalls nur sehr geringer Lichtinten sität detektieren zu können.

Um die vorstehenden Anforderungen erfüllen und gleichzeitig elektrische Störungen in den detektierten Signalen, die von Kopplungen mit der Ausleseelektronik verursacht werden, redu zieren zu können, werden hochverstärkende Transimpedanzverstär ker und rauscharme Elektronikkomponenten benötigt. Wenn her kömmliche integrierte Photodioden in Ausleseschaltungen einge setzt werden, können die Signale nicht mit hoher Genauigkeit gelesen werden, insbesondere bei niedrigen Lichtintensitäten. Dies ist bedingt durch kapazitive Kopplungen und Rausch-Ver- stärkungsüberhöhungs-Effekte (englisch: noise gain peaking effects), die das Signal-Rausch-Verhältnis (englisch: signal to noise ratio, kurz: SNR) der Messungen begrenzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zu grunde, eine Photodiode zu schaffen, die es erlaubt, Signale mit niedrigem Rauschen und geringen kapazitiven Kopplungen aus- zulesen. Ferner sollen ein Verfahren zum Betrieb der Photodiode und eine Ausleseschaltung für die Photodiode angegeben werden.

Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Photodiode mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Aufgaben der Erfin- düng werden gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb der Photo diode mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 und eine Ausleseschaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 14. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine Photodiode gemäß einer Ausgestaltung umfasst ein Halb leitersubstrat und eine auf dem Halbleitersubstrat angeordnete Halbleiterschicht. Die Halbleiterschicht weist einen photosen sitiven Bereich auf, der auch als optisch aktiver Bereich be- zeichnet werden kann. In dem photosensitiven Bereich können Ladungsträger bzw. Elektron/Loch-Paare durch einfallendes Licht erzeugt werden. Der photosensitive Bereich grenzt insbesondere an eine Hauptoberfläche der Halbleiterschicht bzw. der Photo diode an.

Das Halbleitersubstrat und die darüber liegende Halbleiter schicht sind von einem ersten Leitfähigkeitstyp. In den photo sensitiven Bereich der Halbleiterschicht sind ein erster Bereich von einem zweiten Leitfähigkeitstyp und ein zweiter Bereich von dem ersten Leitfähigkeitstyp integriert. Der erste und der zweite Bereich sind lateral versetzt zueinander und insbeson dere beabstandet voneinander angeordnet. Lateral versetzt be deutet, dass sie in einer Richtung parallel zur Hauptoberfläche der Halbleiterschicht zueinander versetzt sind. Der zweite Leit- fähigkeitstyp ist entgegengesetzt zu dem ersten Leitfähigkeits typ.

Einer der beiden ersten und zweiten Bereiche stellt die Anode der Photodiode dar und der andere Bereich die Kathode der Pho- todiode .

Die unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen können durch Dotie ren, d. h. durch das Einbringen von Fremdatomen in das Halb leitermaterial, erzeugt worden sein. Beispielsweise kann der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Leitfähigkeitstyp sein. Entgegenge setzte Dotierungen sind auch denkbar.

Das Halbleitersubstrat, die Halbleiterschicht, der erste Be- reich und der zweite Bereich können unterschiedlich stark do tiert sein. Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat stärker dotiert sein als die Halbleiterschicht und der erste sowie der zweite Bereich können jeweils stärker dotiert sein als das Halb leitersubstrat. Insbesondere kann das Halbleitersubstrat stark dotiert sein, die Halbleiterschicht schwach dotiert sein und der erste und der zweite Bereich können jeweils sehr stark oder stark dotiert sein.

Die Photodiode wandelt Licht im sichtbaren Bereich, Ultravio- lett (UV) -Licht und/oder Infrarot (IR) -Licht durch einen inne ren Photoeffekt in dem lichtsensitiven Bereich in einen elektri schen Strom um.

Die Photodiode kann eine pin (positiv-intrinsisch-negativ, eng- lisch: positive intrinsic negative ) -Struktur aufweisen. Der Aufbau einer pin-Photodiode ist ähnlich einer pn-Photodiode, mit dem Unterschied, dass sich zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich, d. h. zwischen den n- und p-dotierten Bereichen, ein zusätzlicher schwach dotierter oder undotierter Bereich befindet. Dieser Bereich ist somit lediglich intrinsisch leitend und wird daher als i-Bereich bezeichnet. Der i-Bereich kann durch die schwach dotierte Halbleiterschicht gebildet wer den. Der erste und der zweite Bereich sind somit nicht in di rektem Kontakt miteinander, und beim Anlegen einer Sperrspan- nung kommt es zur Ausbildung einer größeren Raumladungszone als bei einer pn-Photodiode. Da der i-Bereich nur wenige freie La dungsträger enthält, ist er hochohmig.

Durch den lateralen Aufbau der Photodiode wird die Gesamtkapa- zität und insbesondere der Einfluss der Kapazität auf den ver tikalen Übergang zwischen der Kathode und dem Halbleitersubstrat verringert, indem sowohl kapazitive Kopplungen als auch Rausch- Verstärkungsüberhöhungs-Effekte, insbesondere bei hohen Fre quenzen, deutlich reduziert werden. Dadurch wird das erzielbare Signal-Rausch-Verhältnis erhöht, während die Effizienz der Pho tonenerfassung aufgrund der Möglichkeit, großflächige Detekto ren ohne eine signifikante Erhöhung der Kapazitätsparameter zu verwenden, erhalten bleibt. Weiterhin wird durch den neuartigen Photodiodenaufbau die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse verbessert.

Gemäß einer Ausgestaltung ist der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp ist ein n- Leitfähigkeitstyp . Der erste Bereich bildet die Kathode und der zweite Bereich bildet die Anode der Photodiode. Insbesondere ist das Halbleitersubstrat p+-dotiert, d. h. stark p-dotiert, und die darüber befindliche Halbleiterschicht ist p-dotiert, d. h. schwach p-dotiert. Der erste Bereich ist n+- oder n ⁺⁺ - dotiert, d. h. stark oder sehr stark n-dotiert, und der zweite Bereich ist p+- oder p ⁺⁺ -dotiert, d. h. stark oder sehr stark p- dotiert .

Weiterhin kann die Photodiode eine CMOS-Photodiode sein und folglich mittels der CMOS (englisch: complementary metal-oxide- semiconductor ) -Technik hergestellt sein. Die in der vorliegen den Anmeldung beschriebene Photodiode ist vollständig kompati bel mit Standard-CMOS-Prozessen . Daher kann die Photodiode in eine Vielzahl von integrierten Schaltungen (englisch: in- tegrated circuits, kurz: ICs) integriert werden, wobei die Her stellungskosten der integrierten Schaltungen verringert werden können und die Grundfläche der Sensoren minimiert werden kann.

Die über dem Halbleitersubstrat angeordnete Halbleiterschicht kann eine Epitaxieschicht, d. h. eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschicht, sein.

Der laterale Abstand zwischen dem ersten Bereich, der insbeson dere n+- oder n ⁺⁺ -dotiert ist und die Kathode der Photodiode bildet, und dem zweiten Bereich, der insbesondere p+- oder p ⁺⁺ - dotiert ist und die Anode der Photodiode bildet, kann ver gleichsweise gering sein und beispielsweise höchstens 20 pm betragen. Alternativ kann dieser Abstand höchstens 19 pm oder 18 pm oder 17 pm oder 16 pm oder 15 pm oder 14 pm oder 13 pm oder 12 pm oder 11 pm oder 10 pm groß sein.

Die Fläche des ersten Bereichs an der Hauptoberfläche der Halb leiterschicht, d. h. die laterale Ausdehnung des ersten Be reichs, kann im pm ² -Bereich liegen und demnach deutlich kleiner sein als bei einer herkömmlichen Photodiode mit einem vertikalen Aufbau, bei der die Kathode eine laterale Ausdehnung im mm ² - Bereich hat. Beispielsweise kann die Fläche des ersten Bereichs an der Hauptoberfläche der Halbleiterschicht höchstens 100 pm ² oder 50 pm ² oder 10 pm ² oder 5 pm ² oder 2 pm ² oder 1 pm ² betragen. Der elektrische Widerstand zwischen dem zweiten Bereich und dem Halbleitersubstrat ist gegenüber herkömmlichen Photodioden mit einem vertikalen Aufbau stark verringert und beträgt gemäß einer Ausgestaltung höchstens 200 W oder 180 W oder 160 W oder 140 W oder 120 W oder 100 W.

Die Halbleiterschicht kann eine Wanne von dem ersten Leitungstyp aufweisen, in die der zweite Bereich integriert bzw. eingebettet ist. Die Wanne ist insbesondere stärker dotiert als die Halb- leiterschicht und beispielsweise p+-dotiert.

Der Abstand der Wanne von dem Halbleitersubstrat kann höchstens 15 pm oder 14 pm oder 13 pm oder 12 pm oder 11 pm oder 10 pm betragen. Der geringe Abstand der Wanne von dem Halbleitersub- strat trägt zu dem geringen elektrischen Widerstand zwischen dem zweiten Bereich und dem Halbleitersubstrat bei.

Um die Kathode und die Anode der Photodiode von außerhalb der Photodiode elektrisch kontaktieren zu können, kann ein erstes Kontaktelement auf den ersten Bereich und ein zweites Kontak telement auf den zweiten Bereich aufgebracht sein. Die beiden Kontaktelemente können aus einem geeigneten Metall oder einer geeigneten Metalllegierung hergestellt sein. Eine Polysilizium-Gate-Schicht , die beispielsweise p-dotiert, insbesondere p+-dotiert, ist, kann auf die Halbleiterschicht aufgebracht sein. Insbesondere kann die Polysilizium-Gate- Schicht auf die laterale pin-Struktur zwischen dem ersten Be reich und dem zweiten Bereich sowie insbesondere die Umgebung der lateralen pin-Struktur aufgebracht sein. Zwischen der Po- lysilizium-Gate-Schicht und der Halbleiterschicht kann sich eine Feldoxidschicht, insbesondere aus Si0 ₂ , befinden. Der erste Bereich und der zweite Bereich können von der Feldoxidschicht und der Polysilizium-Gate-Schicht ausgespart sein. Die Dicke der Feldoxidschicht kann beispielsweise höchstens 300 nm betra gen .

Die Polysilizium-Gate-Schicht kann mit dem zweiten Bereich, d. h. insbesondere mit der Anode, kurzgeschlossen sein oder alter nativ mit einem vorgegebenen elektrischen, insbesondere nega tiven Potential über einen unabhängigen Anschluss beaufschlagt sein . Anstelle der Polysilizium-Gate-Schicht kann eine Schicht aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid (englisch: transparent conducting oxide, TCO) , wie etwa Indiumzinnoxid (englisch: indium tin oxide, ITO) , auf die Halbleiterschicht und insbesondere die Feldoxidschicht oberhalb der lateralen pin- Struktur aufgebracht sein. Die Schicht aus dem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid kann beispielsweise eine Dicke von höchstens 120 nm oder 110 nm oder 100 nm oder 90 nm oder 80 nm aufweisen . Eine weitere Alternative besteht darin, die Polysilizium-Gate- Schicht zusammen mit der Feldoxidschicht durch eine dünne die lektrische Schicht mit einer konstanten, insbesondere negativen Ladung zu ersetzen, die auf die Halbleiterschicht und insbeson dere die laterale pin-Struktur und/oder deren Umgebung aufge- bracht ist. Diese Schicht kann beispielsweise aus AI2O3 bestehen und verhindert die Ansammlung von Elektronen in der p-dotierten Halbleiterschicht. Die dielektrische Schicht kann direkt auf die Hauptoberfläche der Halbleiterschicht aufgebracht sein. Allgemein können eine oder mehrere dielektrische Schichten, die jeweils eine feste Ladung aufweisen, auf die Halbleiterschicht und insbesondere die laterale pin-Struktur zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich und/oder deren Umgebung aufge bracht sein. Die festen Ladungen der dielektrischen Schichten verhindern die Ansammlung von Minoritätsträgern an der Oberflä che der p-dotierten Halbleiterschicht. Beispielsweise können derartige Schichten eine positive Ladung aufweisen und aus SX ₃ N ₄ oder Si0 ₂ bestehen, falls die oben beschriebenen Dotierungen der Schichten invertiert ist und die Halbleiterschicht bzw. Epita xieschicht eine niedrige n-Dotierung aufweist.

Es kann vorgesehen sein, dass die untere Grenze für eine Ober flächenladungskonzentration der dielektrischen Schicht bei- spielsweise 10 ¹¹ cnr ² beträgt.

Ein Verfahren zum Betrieb einer Photodiode gemäß einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen sieht vor, dass ein erstes elekt risches Potential an den ersten Bereich, d. h. insbesondere an die Kathode, und ein zweites elektrisches Potential an den zwei ten Bereich, d. h. insbesondere an die Anode, angelegt wird. Das zweite elektrische Potential kann ein Referenzpotential, insbesondere ein Massepotential, sein. Das zweite Potential ist größer als das erste Potential. Folglich ist die Photodiode in Sperrrichtung vorgespannt.

Eine Ausleseschaltung kann eine Photodiode gemäß einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen umfassen und weiterhin einen der Photodiode nachgeschalteten Transimpedanzverstärker, ein dem Transimpedanzverstärker nachgeschalteten ersten Hochpassfilter und einen dem Hochpassfilter nachgeschalteten ersten Verglei cher aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, dass weitere Kompo nenten zwischen die vorstehend beschriebenen Komponenten ge schaltet sein können.

Aufgrund der verwendeten Photodiode mit der oben beschriebenen lateralen Struktur weist die Ausleseschaltung eine hohe Leis tung und Empfindlichkeit sowie ein verbessertes Signal-Rausch- Verhältnis auf. Durch die entwickelte Photodiodenstruktur wer- den die elektrischen Potentiale an der Anode und der Kathode während des Betriebs gleichermaßen geändert, wodurch ein zu sätzlicher Stromfluss durch die Photodiode verhindert wird und das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers nicht beein flusst wird.

Die Ausleseschaltung ist zum Auslesen von schnellen Lichtsig nalen insbesondere im nahen Infrarot über einen weiten Dynamik bereich mit gegebenenfalls nur sehr geringer Lichtintensität geeignet. Sowohl kapazitive Kopplungen als auch parasitäre Rausch-Verstärkungsüberhöhungs-Effekte, die durch eine uner wünschte Kopplung mit der Elektronik verursacht werden, können durch die Verwendung der lateralen Photodiodenstruktur weitge hend unterbunden werden, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wird .

Gemäß einer Ausgestaltung der Ausleseschaltung sind eine oder mehrere Verstärkerstufen dem ersten Hochpassfilter nachgeschal tet . Der oder den Verstärkerstufen können weiterhin ein oder mehrere zweite Hochpassfilter nachgeschaltet sein.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann ein Gleichrichter dem ersten Hochpassfilter oder dem oder den Verstärkerstufen oder dem oder den zweiten Hochpassfiltern nachgeschaltet sein. Fer ner ist dem Gleichrichter ein Tiefpassfilter nachgeschaltet.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung kann die Ausleseschal tung einen ersten Schaltungszweig und einen zweiten Schaltungs- zweig aufweisen. Der erste Schaltungszweig kann die Komponenten der oben beschriebenen Ausgestaltungen enthalten. Der zweite Schaltungszweig zweigt beispielsweise stromabwärts von dem ers ten Hochpassfilter ab und enthält zumindest einen zweiten Ver gleicher. Der erste Schaltungszweig liefert als Ausgangssignal ein Hüllsignal, während der zweite Schaltungszweig ein digita les Ausgangssignal bereitstellt.

Die Photodiode und/oder die Ausleseschaltung, die in der vor- liegenden Anmeldung beschrieben werden, eignen sich in beson derer Weise für den Einsatz in VR- und/oder AR-Anwendungen, wie zum Beispiel Sensoren, Geräten oder Systemen zur VR- oder AR- Positionsverfolgung . Weiterhin können die Photodiode und/oder die Ausleseschaltung in anderen Sensoren, Geräten oder Systemen eingesetzt werden, die insbesondere ähnliche Anforderungen ha ben wie bei der VR- oder AR-Positionsverfolgung . Beispielsweise können die Photodiode und/oder die Ausleseschaltung in optischen Kommunikationssystemen, wie zum Beispiel zur Kommunikation von Batteriezellen in Fahrzeugen, oder in Rauchdetektoren einge- setzt werden.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen schematisch:

Fig. 1 eine Darstellung einer Photodiode mit einer vertikalen Struktur;

Fig . 2 eine Darstellung eines elektrischen Modells der Photodiode aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Photodiode mit einer lateralen Struk tur;

Fig. 4 eine Darstellung eines elektrischen Modells der Photodiode aus Fig. 3; Fig . 5 eine Darstellung eines Front-End-Schalt- kreises für eine Photodiode mit einer ver tikalen Struktur; Fig . 6 eine Darstellung eines Front-End-Schalt- kreises für eine Photodiode mit einer late ralen Struktur;

Fig . 7 eine Darstellung eines weiteren Ausfüh rungsbeispiels einer Photodiode mit einer lateralen Struktur;

Fig . 8 eine Darstellung verschiedener Photodioden- Kapazitäten gegen die Kathodensperrspan nung;

Fig . 9 eine Darstellung der spektralen Empfind lichkeit für verschiedene Photodiodenpara meter gegen die Wellenlänge;

Fig. 10 eine Darstellung verschiedener Photodioden- Kapazitäten gegen die Polysilizium-Gate- Spannung; Fig. 11 eine Darstellung einer parasitären Rück kopplung in einer Ausleseschaltung für eine Photodiode ;

Fig. 12 eine Darstellung der Auswirkung einer kapa zitiven Kopplung in einer Ausleseschaltung für eine Photodiode mit einer vertikalen Struktur;

Fig. 13 eine Darstellung der Auswirkung einer kapa zitiven Kopplung in einer Ausleseschaltung für eine Photodiode mit einer lateralen

Struktur;

Fig . 14 eine Darstellung der Rauschspektraldichte gegen die Frequenz für Photodioden mit einer vertikalen Struktur und verschiedenen Pho- todiodenkapazitäten;

Fig. 15 eine Darstellung der Rauschspektraldichte gegen die Frequenz für Photodioden mit einer vertikalen und einer lateralen Struktur; und

Fig. 16A bis 16E Darstellungen verschiedener Ausführungsbei spiele von Ausleseschaltungen für Photodio- den mit einer lateralen Struktur.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die bei gefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Be schreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifi- sehe Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert wer den können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschauli chung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merk male der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbei spiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spe- zifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschrei bung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identi schen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist. Fig. 1 zeigt eine CMOS-Photodiode 1 mit einer vertikalen Struk tur, die im Folgenden auch als VPIN-Struktur bezeichnet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellungen in Fig. 1 und allen weiteren Figuren nicht maßstabsgetreu sind.

Die Photodiode 1 ist in eine integrierte Schaltung integriert und umfasst ein p+-dotiertes Halbleitersubstrat 2 und eine dar über angeordnete p -dotierte Epitaxieschicht 3. Die Epitaxie schicht 3 umfasst einen photosensitiven Bereich 4, dessen la- terale Ausdehnung in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie dar gestellt ist. In den photosensitiven Bereich 4 ist ein n ⁺⁺ - dotierter Bereich 5 integriert.

Außerhalb der Photodiode 1 und des photosensitiven Bereichs 4 ist ein p ⁺⁺ -dotierter Bereich 6 in eine p+-dotierte Wanne 7 eingebettet, die sich in der Epitaxieschicht 3 befindet.

Die Photodiode 1 hat eine pin-Struktur und ist durch ein mit PD bezeichnetes Schaltzeichen in Fig. 1 gekennzeichnet.

Der n ⁺⁺ -dotierte Bereich 5 und das p+-dotierte Halbleitersubstrat 2 stellen die Kathode CAT bzw. die Anode der Photodiode 1 dar. Der p ⁺⁺ -dotierte Bereich 6 ist mit einem Massepotential VSS ver bunden .

Ein elektrisches Modell der Photodiode PD aus Fig. 1 ist in Fig. 2 gezeigt. Die Photodiode PD ist zwischen die Kathode CAT bzw. den n ⁺⁺ -dotierte Bereich 5 und das als Anode ausgebildete Halb leitersubstrat 2 geschaltet. Nachteilig an diesem Aufbau ist, dass das Halbleitersubstrat 2 nicht direkt kontaktiert werden kann, sondern über den p ⁺⁺ -dotierten Bereich 6 durch die nur schwach dotierte und daher hochohmige Epitaxieschicht 3 hindurch kontaktiert werden muss. Der durch die Epitaxieschicht 3 ver ursachte elektrische Widerstand R _SU B beträgt typischerweise ca. 1 kQ. Fig. 3 zeigt eine CMOS-Photodiode 10 mit einer lateralen Struk tur, die im Folgenden auch als LPIN-Struktur bezeichnet wird.

Die Photodiode 10 umfasst ein p ⁺ -dotiertes Halbleitersubstrat 11 und eine auf dem Halbleitersubstrat 11 befindliche Halb leiterschicht in Form einer p -dotierten Epitaxieschicht 12. Die Epitaxieschicht 12 umfasst eine Hauptoberfläche 13 sowie einen an die Hauptoberfläche 13 angrenzenden photosensitiven Bereich 14. In dem photosensitiven Bereich 14 können Ladungsträger bzw. Elektron/Loch-Paare durch einfallendes Licht erzeugt werden.

In den photosensitiven Bereich 14 der Epitaxieschicht 12 sind ein erster Bereich in Form eines n ⁺⁺ -dotierten Diffusionsbe reichs 15 und ein zweiter Bereich in Form eines p ⁺⁺ -dotierten Diffusionsbereichs 16 integriert. Der p ⁺⁺ -dotierte Bereich 16 ist ferner in eine p ⁺ -dotierte Wanne 17 eingebettet.

Der n ⁺⁺ -dotierte Bereich 15 und der p ⁺⁺ -dotierte Bereich 16 sind lateral versetzt zueinander und beabstandet voneinander ange- ordnet. Lateral versetzt bedeutet, dass sie in einer parallel zur Hauptoberfläche 13 der Epitaxieschicht 12 verlaufenden Rich tung 21, die in Fig. 3 durch einen Pfeil gekennzeichnet ist, zueinander versetzt sind. Der Abstand des n ⁺⁺ -dotierten Bereichs 15 vom p ⁺⁺ -dotierten Bereich 16 ist in Fig. 3 durch das Bezugs- Zeichen 23 gekennzeichnet.

In der in Fig. 3 dargestellten Photodiode 10 sind im Unterschied zur Photodiode 1 aus Fig. 1 sowohl der n ⁺⁺ -dotierte Bereich 15 als auch der p ⁺⁺ -dotierte Bereich 16 in den photosensitiven Be- reich 14 der Epitaxieschicht 12 integriert. Weiterhin ist der Abstand 23 zwischen dem n ⁺⁺ -dotierten Bereich 15 und dem p ⁺⁺ - dotierten Bereich 16 bei der Photodiode 10 deutlich geringer als bei der Photodiode 1 und beträgt beispielsweise nicht mehr als 20 pm. Ferner ist die Ausdehnung des n ⁺⁺ -dotierten Bereichs 15 in la teraler Richtung in der Photodiode 10 kleiner als die Ausdehnung des n ⁺⁺ -dotierten Bereichs 5 in lateraler Richtung in der Pho todiode 1. Der n ⁺⁺ -dotierte Bereich 15 der Photodiode 10 hat an der Hauptoberfläche 13 eine Fläche im pm ² -Bereich, während der n ⁺⁺ -dotierte Bereich 5 der Photodiode 1 eine Fläche im mm ² - Bereich aufweist.

Der vertikale Abstand zwischen der p+-dotierten Wanne 17 und dem p+-dotierten Halbleitersubstrat 11, d. h. der Abstand in einer Richtung 22, die senkrecht zur Richtung 21 verläuft, ist in der Photodiode 10 deutlich kleiner als der entsprechende Abstand in der Photodiode 1. Daher ist auch der elektrische Widerstand R _SU B zwischen der Wanne 17 und dem Halbleitersubstrat 11 in der Photodiode 10 kleiner und beträgt beispielsweise ca. 100 W.

Der vertikale pin-Übergang zwischen dem n ⁺⁺ -dotierten Bereich 15 und dem p+-dotierten Halbleitersubstrat 11 bildet eine in Fig. 3 mit PD1 bezeichnete Photodiode aus. Ferner bildet der laterale pin-Übergang zwischen dem n ⁺⁺ -dotierten Bereich 15 und dem p ⁺⁺ - dotierten Bereich 16 eine mit PD2 bezeichnete Photodiode aus, welche im Vergleich zur Photodiode PD1 die dominante Photodiode ist. Der n ⁺⁺ -dotierte Bereich 15 stellt die Kathode und der p ⁺⁺ - dotierte Bereich 16 stellt die Anode der Photodiode 10 dar.

Fig. 4 zeigt ein elektrisches Modell der Photodiode 10 aus Fig. 3 mit den beiden Photodioden PD1 und PD2. Die Anode ANO der Gesamtschaltung ist über den vergleichsweise kleinen Widerstand R _SU B mit der Anode der Photodiode PD1 verbunden. Die laterale Photodiode 10 erlaubt einen Schaltungsentwurf, der näher an einer differentiellen Konfiguration ist als eine Single-Ended- Konfiguration .

Fig. 5 zeigt einen beispielhaften Front-End-Schaltkreis für die Photodiode 1 aus Fig. 1. Die in Fig. 5 dargestellte Kapazität C _D entspricht der Kapazität der Photodiode PD. Die Kapazitäten C _cat und C _Sub sind parasitäre Kapazitäten. Die Photodiode PD ist mit einem Transimpedanzverstärker verbunden, der an seinem Aus gang ein Ausgangssignal out erzeugt.

Fig . 6 zeigt einen beispielhaften Front-End-Schaltkreis für die Photodiode 10 aus Fig. 3. Die Kapazitäten C _Di und C _D2 entsprechen den Kapazitäten der Photodioden PD1 und PD2. Die Kapazitäten C _cat , C _ano und C _sub sind parasitäre Kapazitäten.

In der nachfolgenden Tabelle 1 werden Eigenschaften einer la teralen Photodiodenstruktur den Eigenschaften einer vertikalen Photodiodenstruktur gegenübergestellt .

Fig. 7 zeigt die CMOS-Photodiode 10 mit der LPIN-Struktur aus Fig. 3, wobei in Fig. 7 auf der Hauptoberfläche 13 der Epita- xieschicht 12 eine Feldoxidschicht 25 abgeschieden ist. Die Bereiche 15 und 16, die in der in Fig. 7 dargestellten Ausge staltung n ⁺ - bzw. p ⁺ -dotiert sind, sind von der Feldoxidschicht 25 ausgespart und mit Metallkontaktelementen 26 bzw. 27 verse hen. Auf die Feldoxidschicht 25 ist eine p ⁺ -dotierte Polysili- zium-Gate-Schicht 28 aufgebracht.

In Fig. 7 liegen der p ⁺ -dotierte Bereich 16 und das p ⁺ -dotierte Halbleitersubstrat 11 auf einem Massepotential. Die Polysili- zium-Gate-Schicht 28 ist elektrisch mit dem p ⁺ -dotierten Bereich 16 verbunden. Der n ⁺ -dotierte Bereich 15 ist mit einem positiven

Potential beaufschlagt, um die Photodiode in Sperrrichtung vor zuspannen .

Im Folgenden werden verschiedene Layout-Parameter für die Pho- todiode 10 genannt. Diese Parameter sind jedoch lediglich bei spielhaft zu verstehen. Es kann durchaus von den genannten Pa rametern abgewichen werden.

Die minimale Breite des n ⁺ -dotierten Bereichs 15 beträgt 0,7 pm und die minimale Breite des p ⁺ -dotierten Bereichs 16 beträgt 1,4 pm. Der Abstand 23 zwischen den Bereichen 15 und 16 beträgt zwischen 10 pm und 15 pm und ist vergleichbar mit der Dicke der Epitaxieschicht 12. Die Breite der p ⁺ -dotierten Wanne 17 liegt im Bereich von 2 pm bis 10 pm.

Weitere beispielhafte Werte für die Dotierung und die Dicke bestimmter Schichten sind in nachfolgender Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2

In Fig. 8 sind die Kathoden-Anoden-Kapazität, die Kathoden- Substrat-Kapazität und die Gesamtkapazität für eine Photodiode mit einer LPIN-Struktur und die Gesamtkapazität einer Photodi ode mit einer VPIN-Struktur gegen die Kathodensperrspannung aufgetragen .

Im Vergleich zu einer herkömmlichen Photodiode mit einer VPIN- Struktur sowie gleichen Zelldimensionen erlaubt es die LPIN- Struktur die Gesamtkapazität der Photodiode um einen Faktor von ungefähr 4,5 zu reduzieren, wobei gleichzeitig der Beitrag des Kathoden-Substrat-Übergangs zu der Gesamtkapazität minimiert wird. Der Effekt lässt sich auf die laterale Begrenzung des verarmten Bereichs um den Oberflächen-Kathodenkontakt zurück führen, der sich durch die Verwendung eines p ⁺ -dotierten Be reichs 16 und einer den p ⁺ -dotierten Bereich 16 umgebenden p ⁺ - dotierten Wanne 17 ergibt.

In Fig. 9 ist die spektrale Empfindlichkeit, welche in der Legende von Fig. 9 mit „Resp" abgekürzt ist, bei einer Bestrah lungsstärke von 1 mi/cm ² gegen die Wellenlänge für Photodioden mit einer LPIN- bzw. einer VPIN-Struktur und Kathodenspannungen von 0 V, 0,7 V oder 3 V dargestellt. Die sehr geringe Dotierung der Epitaxieschicht kombiniert mit dem ineinander greifenden Oberflächenkontaktdesign erlaubt eine gute optische Antwort der Photodiode mit der LPIN-Struktur sowohl im sichtbaren Bereich als auch im nahen Infrarot bei bereits sehr geringen Sperrspan nungen. Wenn die optische Antwort bei den gleichen experimen tellen Bedingungen simuliert wird, ist die optische Antwort der LPIN-Photodioden vergleichbar mit derjenigen von VPIN-Photodi- oden .

Weiterhin haben Simulationen gezeigt, dass die Verwendung einer p+-dotierten Polysilizium-Gate-Schicht auf der Feldoxidschicht zwischen den n+- und p+-dotierten Bereichen, die mit der Anode kurzgeschlossen ist (Struktur mit 3 Anschlüssen), den Kapazi tätsanstieg, der durch den Elektronen-Oberflächen-Kanal an der Oxid/Silizium-Grenzfläche erzeugt wird, verringert. Ein solcher Kapazitätsanstieg kann aufgrund der sehr geringen Dotierung der Epitaxieschicht kritisch für die Stabilität der Photodiode sein. Der Effekt wird maximiert für geringe Oxidschichtdicken von kleiner als 100 nm und hohen Oberflächenladungsdichten von über 10 ¹¹ cm- ² . Gemäß einer alternativen Ausgestaltung können die Oberflä chenladungseffekte verringert werden, indem die p+-dotierte Po- lysilizium-Gate-Schicht mit einer negativen Spannung im Bereich zwischen -5V und 0V vorgespannt wird. Dazu wird die Polysili- zium-Gate-Schicht elektrisch von der Anode entkoppelt und über einen separaten Anschluss mit dem gewünschten Potential beauf schlagt (Struktur mit 4 Anschlüssen) .

In Fig. 10 sind zur Veranschaulichung der vorstehenden Ausfüh rungen die Kathode-Anode-Kapazität , die Kathode-Substrat-Kapa- zität, die Kathode-Gate-Kapazität und die Gesamt-Polysilizium- Gate-Kapazität gegen die Polysilizium-Gate-Spannung aufgetra gen. Folgende Parameter wurden für die Simulation der Kapazi täten verwendet: V _K athode = +0,7 V, VAnode = 0 V, V _Su bstrat = 0 V und Qi _nt = IO ¹¹ cm ^-2 . Ferner ist in Fig. 10 die Gesamtkapazität C _tot = 9,7 pF/mm ² für eine LPIN-Struktur ohne die Polysilizium-Gate- Schicht durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet.

Im Folgenden werden weitere relevante Eigenschaften der in der vorliegenden Anmeldung vorgestellten LPIN-Struktur beschrieben.

Die Verwendung der p+-dotierten Wanne ist darauf ausgerichtet, den Bulkkontaktwiderstand zu reduzieren. Dieser Widerstand hat sich als kritischer Parameter in Anbetracht der sehr niedrigen Dotierung der Epitaxieschicht erwiesen.

Grundsätzlich ist das in der vorliegenden Anmeldung beschrie bene Design kompatibel mit einer dünnen Oxid-Gate-Schicht mit einer Dicke von zum Beispiel 7 oder 14 nm, welche die Feldoxid- _S chicht ersetzt.

Die Verwendung einer in geeigneter Weise vorgespannten Polysi- lizium-Gate-Schicht ist vorteilhaft, um die Reproduzierbarkeit der elektro-optischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit der Photodiode trotz des Einflusses von Oberflächenladungen zu ver bessern .

Die Metallschichten und die Oberflächen-Polysilizium-Schichten können in geeigneter Weise durch einen Stapel von dielektrischen Schichten passiviert werden.

In nachfolgender Tabelle 3 werden beispielhafte Simulationser gebnisse für die VPIN- und LPIN-Strukturen miteinander vergli chen .

Tabelle 3

Zusammenfassend zeichnet sich die LPIN-Struktur gegenüber der VPIN-Struktur aus durch:

- eine verringerte Gesamtkapazität,

- eine verringerte vertikale Kathoden/Substrat-Kapazität (ver glichen mit der Oberflächen-Kathoden/Anoden-Kapazität ) ,

- eine gute Empfindlichkeit und Bandbreite im nahen Infrarot, und

- eine hohe Stabilität aufgrund der Implementierung einer ge eigneten Struktur zur Minimierung des Einflusses von Ober flächenladungen .

Eine kapazitive Kopplung zwischen Bonddrähten, die zur elektri schen Verbindung mit der Photodiode verwendet werden, und der aktiven Fläche der Photodiode kann zu einer parasitären Rück kopplung zwischen dem Treiberausgang und dem Eingang des Tran simpedanzverstärkers führen, wie es in Fig. 11 veranschaulichend dargestellt ist. Dadurch können Signalverzerrungen, Falschmel dungen (englisch: false positives), Pulse-Skipping und

Selbstoszillationen hervorgerufen werden.

Bei der VPIN-Struktur, wie sie beispielhaft in Fig. 12 gezeigt ist, führt eine kapazitive Kopplung nur zu einer Änderung des Kathodenpotentials. Dadurch wird ein zusätzlicher Strom durch die Photodiode verursacht, was sich im Ausgangssignal des Tran simpedanzverstärkers bemerkbar macht.

Bei der LPIN-Struktur, wie sie beispielhaft in Fig. 13 gezeigt ist, ändert eine kapazitive Kopplung das Anodenpotential und das Kathodenpotential in gleicher Weise. Folglich fließt kein zusätzlicher Strom durch die Photodiode und das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers ist unberührt. Weiterhin wird durch die niedrige Kapazität der Photodiode mit der LPIN-Struk- tur der Einfluss der Rauschquelle minimiert.

Die hohen Empfindlichkeitsanforderungen führen zu der Verwen dung großflächiger Photodioden, wodurch sich die Photodioden kapazität C _D erhöht. Dadurch ergeben sich höhere Rauschpeaks bei höheren Frequenzen, wie Fig. 14 beispielhaft für eine Photodiode mit einer VPIN-Struktur zeigt, was das erzielbare Signal-Rausch- Verhältnis reduziert.

Die LPIN-Struktur erlaubt demgegenüber eine erhebliche Verrin- gerung der Gesamtkapazität die Photodiode, d. h. der in Fig. 6 dargestellten Kapazitäten C _Di und C _D 2, wohingegen die gesamte aktive Fläche sowie die spektrale Empfindlichkeit beibehalten werden. Weiterhin wird bei der LPIN-Struktur die Kapazität in zwei Kapazitäten aufgespalten, wobei nur die vertikale Kapazi- tät zu dem Rauschpeak beiträgt. In Fig. 15 sind Rauschspektral dichten für VPIN- und LPIN-Strukturen gegen die Frequenz auf getragen .

Fig. 16A bis 16E zeigen verschieden ausgestaltete Ausleseschal- tungen 51 bis 55 für eine Photodiode 10 mit einer LPIN-Struktur, wie sie oben beschrieben wurde.

Die in Fig. 16A dargestellte Ausleseschaltung 51 weist einen optischen Eingang 60 auf, an dem ein optisches Signal eingeht, welches von der Photodiode 10 in einen Photostrom umgewandelt wird. Die Photodiode 10 kann beispielsweise eine große Fläche im Bereich von 1 mm ² bis 2 mm ² , eine hohe IR-Empfindlichkeit von zum Beispiel 0,4 A/W bei Licht einer Wellenlänge von 850 nm sowie eine hohe Bandbreite von größer als 10 MHz aufweisen.

Der Photodiode 10 ist ein Transimpedanzverstärker 61 nachge schaltet, der den von der Photodiode 10 bereitgestellten Pho tostrom in eine Spannung umwandelt. Für die hier beschriebene Anwendung benötigt der Transimpedanzverstärker 61 sowohl eine hohe Geschwindigkeit als auch eine große Verstärkung. Beispiels weise hat der Transimpedanzverstärker 61 eine Bandbreite von größer als 10 MHz und eine Verstärkung von 10 kQ.

Ein dem Transimpedanzverstärker 61 nachgeschaltetes Hochpass- filter 62 entfernt niederfrequente Hintergrundsignale. Bei spielsweise ist die Grenzfrequenz (englisch: cut off frequency) des Hochpassfilters 62 kleiner als 1 MHz.

Hinter dem Hochpassfilter 62 ist ein Vergleicher 63 angeordnet, der zum Beispiel als Schmitt-Trigger ausgestaltet ist. Der Ver gleicher 63 konvertiert das analoge Signal in ein digitales Signal und benötigt eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit.

Ein digitaler Ausgangstreiber 64 führt das digitale Ausgangs- signal einer an die Ausleseschaltung 61 angeschlossenen Elekt ronik zu, zum Beispiel einem Microcontroller oder einer FPGA (englisch: field programmable gate array) . Der digitale Aus gangstreiber 64 sollte typische Logikpegel, wie zum Beispiel 1,8 V, 3,3 V oder 5 V, bereitstellen können.

Der Aufbau der in Fig . 16B dargestellten Ausleseschaltung 52 ist weitgehend identisch mit der in Fig. 16A gezeigten Ausle seschaltung 51. Im Unterschied zur Ausleseschaltung 51 weist die Ausleseschaltung 52 zusätzlich einen oder mehrere Span nungsverstärkungsstufen 65 auf, die dem Hochpassfilter 62 nach geschaltet sind. Die in Fig . 16C dargestellte Ausleseschaltung 53 basiert auf der Ausleseschaltung 52 aus Fig. 16B. Die Ausleseschaltung 53 enthält zusätzlich eine oder mehrere Hochpassfilterstufen 66, die den Spannungsverstärkungsstufen 65 nachgeschaltet sind. Die in Fig. 16D dargestellte Ausleseschaltung 54 basiert auf einer der Ausleseschaltungen 51, 52 und 53. In der Auslese schaltung 54 sind dem Vergleicher 63 ein Gleichrichter 67 und ein Tiefpassfilter 68 vorgeschaltet. Der digitale Ausgangstrei ber 64 liefert als Ausgangssignal ein Hüllsignal (englisch: envelope signal) .

Die in Fig. 16E dargestellte Ausleseschaltung 55 umfasst einen ersten Schaltungszweig, welcher der Ausleseschaltung 54 aus Fig. 16D entspricht. Weiterhin umfasst die Ausleseschaltung 54 einen zweiten Schaltungszweig, der dem Hochpassfilter 62 nachgeschal tet ist. Der zweite Schaltungszweig umfasst einen Vergleicher 69 und einen digitalen Ausgangstreiber 70. Der digitale Aus gangstreiber 64 stellt an seinem Ausgang ein Hüllsignal bereit, während der digitale Ausgangstreiber 70 ein digitales Signal als Ausgangssignal liefert.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Photodiode

2 Halbleitersubstrat

3 Epitaxieschicht

4 photosensitiver Bereich

5 Bereich

6 Bereich

7 Wanne

10 Photodiode

11 Halbleitersubstrat

12 Epitaxieschicht

13 Hauptoberfläche

14 photosensitiver Bereich 15 Bereich

16 Bereich

17 Wanne

21 Richtung

22 Richtung

23 Abstand

25 Feldoxidschicht

26 Metallkontaktelement

27 Metallkontaktelement

28 Polysilizium-Gate-Schicht 51 Auslese _S chaltung

52 Auslese _S chaltung

53 Auslese _S chaltung

54 Auslese _S chaltung

55 Auslese _S chaltung

60 optischer Eingang

61 TransimpedanzVerstärker 62 Hochpassfilter

63 Vergleicher

64 digitaler Ausgangstreiber

65 Spannungsverstärkungsstufe 66 Hochpassfilterstufe

67 Gleichrichter

68 Tiefpassfilter

69 Vergleicher

70 digitaler Ausgangstreiber