專利名稱：三色傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到一種基于非晶硅及其合金的元件，它包含二個相互反向串聯(lián)安置的p-i-n或n-i-p或肖特基結構，其中各情況下的有源層被安排成正常光入射方向。從而在第一結構的區(qū)域中沿光入射方向，藍光產生的載荷子為第一電壓(V1)收集；而在第二結構區(qū)域中沿光入射區(qū)域中，由紅光或綠光產生的載荷子為第二電壓(V2)或第三電壓(V3)收集，從而二個本征導電層中的至少一個由二個畸性層(partiallayers)構成。
從QZHU，H.Stiebig，P.Rieve，J.Giehl，M.Sommer，M.Bhm的論文“新型薄膜彩色圖象傳感器”(歐洲現代自動化傳感器和控制第二次會議，Frankfurt/Main，1994年6月20-24)，人們知道了這類元件。
比之結晶硅元件，基于非晶硅(a-SiH)的光敏電子元件的優(yōu)點是對可見光的吸收顯著地增大。這種光敏電子元件基本上由二個彼此反向串聯(lián)連接的PIN二極管組成，從而形成交替的NIPIN或PINIP；或者由二個彼此反向串聯(lián)連接的金屬-半導體結(肖特基接觸)組成。
這種元件在工藝上是借助于用PECVD(等離子增強化學汽相淀積)工藝在低溫下(一般為250℃)分隔多個a-SiH層而生產的。產生于例如絕緣襯底(通常為玻璃)上的淀積首先是連接一個半透明的導電氧化層(TCO)，該層其后為加于元件的外部電壓提供接觸。借助于施加交變場，由被分解成硅原子團和氫的SiH4(硅烷)在PECVD反應器中產生等離子體。在此工序中，硅以含氫非晶膜的形式凝聚在襯底上。此時，加入磷烷就可得到n型摻雜層；加入乙硼烷就可得到p型摻雜層。此外，眾所周知，將甲烷(CH4)加入到硅烷中，可增大非晶硅的帶隙，加入鍺烷(GeH4)則可減小帶隙。
然后，可見光以光的入射方向垂直于層面的方式輻射穿透用這種方法制得的具有所需順序的多層元件。由于傳感器材料的吸收系數依賴于進入光的波長和傳感材料的帶隙，就引起光在半導體材料中的穿透深度不同。這就導致藍光(波長約為450nm)的穿透深度(吸收長度)顯著地小于綠光或紅光的穿透深度。借助于選擇加于元件的外部電壓的各自大小和極性，即選擇內部電場的大小和極性，可得到元件的光譜靈敏度。例如借助于對元件施加各種電壓，可得到多層結構中RGB光(紅、綠、藍光)的靈敏度。根據這一原理，光生載荷子沿元件長度的收集區(qū)因而還有其光譜靈敏度就依賴于外加電壓而偏移。
為了優(yōu)化三色傳感器的NIPIN結構，從上面所述可知，在p型摻雜的中間層二側，額外提供本征導電缺陷層，在其厚度區(qū)的帶隙比其余的本征導電層增大了(例如從1.74eV增至1.9eV)。這導致沿光入射方向的前部NIP結構中的紅/綠分離得到改善，或導致沿光入射方向在后面PIN結構中的紅/綠分離得到改善，(所謂能帶隙工程)。
從美國專利5311047得知一種基于帶NIPIN結構非晶硅的光敏電子元件。
Appl.Phys.Lett.，52(4)，1988，P275-277報道了一種NIPIN型的異質結元件(光晶體管)，它包含二個額外插入的本征導電層。由此可知，藍光最好在第一個結中被吸收，而綠光或紅光最好在第二個結中被吸收。此第二本征導電層用來提高藍光吸收。
本發(fā)明的目的是描述引言中所述類型的一種電子元件及其制造方法，確保在經濟的制造條件下制作對RGB彩色敏感的元件，這種元件對RGB彩色有很高的光譜分離特性，對輸出信號的紅外/紫外貢獻可忽略。
根據本發(fā)明，借助于在電場存在時具有不同的載荷子收集長度的二個畸性層而達到此目的，使在光入射方向的前部的畸性層中載荷子遷移率和壽命的乘積較大，而在沿光入射方向的后部畸性層中的載荷子遷移率和壽命的乘積較小，或使二個本征導電層中至少一個由二個畸性層按各自的摻雜組成，具體由SixGe1-x組成，其遷移率不同，使二個畸性層中的μτ乘積彼此不同，至少差10倍，從而μτ乘積較大的畸性層在沿光入射方向的前部。
本發(fā)明的特征是由于元件二個本征導電層中的至少一個分裂成二個畸性層，使藍/綠分離或綠/紅分離得到了改善。與已知的方法(例如借助于通過局部增加帶隙的“帶隙工程”影響吸收或復合行為)或借助于組合額外的缺陷層的方式相反，根據本發(fā)明改變μτ乘積的方法具有明顯的優(yōu)點，使得有可能明顯地改善光譜分離和所需的線性行為。
其結果是，無論在高光強或低光強的情況下，都能夠確定地分離原色。根據本發(fā)明的方法得到的元件在各光譜峰值的光電壓與光子通量之間具有線性關系。在幾個數量級的光子通量范圍內都是如此。超過這一限度就不存在光譜峰值的線性相互依賴關系。光譜峰值一方面有線性關系而另一方面又線性無關，這正是在各種光照條件下能夠實際使用這種元件來識別彩色的原因。
借助于在沿光入射方向的后部結構中組合一個載荷子自由遷移率低的區(qū)域，載荷子只在較高電壓即較高電場時才能被抽取。由短波長光產生于前部的空穴漂移到中間層。由于在后部未產生復合對象，故電子到達后部結構的墊壘層。長波光(紅色)主要產生于這一區(qū)域，以致載荷子由于μτ乘積較低而復合。只有當電場強度較高時，空穴才有可能漂移到中間層。結果就在后部結構中出現紅/綠分離。
當使適當的材料與能帶中自由遷移率不同的合金進行組合時(例如SiH/a-SixGe1-xH)，在這種畸性層中，在較低的電壓下，由于μτ乘積較低，載荷子被收集得較差。相反，在較高電壓情況下，這些載荷子可收集得更好。
在具有較大μτ乘積的畸性層中，綠色光子被最佳地收集，而在沿光入射方向的后部區(qū)域，紅色載荷子被最佳地收集。由于依賴于波長，SiH/a-Si(C)H和a-SixGe1-xH的折射率不同，對于相繼的本征導電層的前部畸性層，可確定一個一定厚度的區(qū)域，其中綠色光子比紅色光子被吸收的更多。所產生的載荷子可在較低的負電壓下被抽出并確定最大光譜靈敏度。用較高的負電壓，借助產生于此本征導電層的后部畸性層中的載荷子來確定最大光譜靈敏度。
利用此區(qū)域中的鍺含量，還有可能利用緩變結構(gradation)，就可由SixGe1-x材料層的厚度來設定長波長光的最大光譜靈敏度。
利用根據本發(fā)明的元件，借助于施加三個不同的電壓，結果可得到位于元件中不同深度處的三個空間電荷區(qū)，因而產生極好的光譜選擇性。具體的優(yōu)點包括延伸于5個數量級以上光強的線性。此外，根據本發(fā)明的元件具有低的暗電流和高的動態(tài)范圍(對1000lux，＞120dB)。還有一個優(yōu)點是能夠以用戶特定的方式預定光譜靈敏度。特別重要的是有可能選擇光譜分量而無須使用附加的濾光器。
在有關的權利要求中指出了最佳實施例。
NIPIN或PINIP結構可認為是光敏元件的最佳變例，根據本發(fā)明，用具有不同μτ乘積的畸性層對它們進行了修正。從工藝上說，μτ的變化最好借助于將鍺與非晶硅(a-SixGe1-xH)形成合金的方法來達到。
為了改善藍/紅分離以及為了改善量子效率，沿光入射方向的前部結構的本征導電層可由碳化層(a-Si(C)H)組成，以致除μτ優(yōu)化外，還發(fā)生帶隙適應。
本發(fā)明的具體最佳實施例所提供的元件是彩色傳感器的部件，其中組成元件的夾層結構被安置在集成電路的表面上。結晶元件(例如ASIC)與根據低溫PECVD工藝而制作的多層元件的組合，導致一種能夠經濟地生產的簡單組合，而且獲得了高分辨率的圖象生成彩色傳感器。在此，根據集成電路即ASIC的微結構，光敏元件的每個表面元件起單一象素元件的作用。彩色選擇性借助于電路加至象素區(qū)的可預先設定的電壓來設定。這就是所謂ASIC上的薄膜(TFA)傳感系統(tǒng)，它結合了由結晶硅制成的傳統(tǒng)ASIC的優(yōu)點與基于非晶硅的光學傳感器的優(yōu)點。
下面用附圖來更詳細地解釋本發(fā)明，其中

圖1示意圖示出了根據現有技術的光敏電子元件的層結構。
圖2示意圖示出了根據圖1的元件的工作模式，其中圖2a示出了多層元件各層的空間安排。
圖2b示出了U＞0時的電場強度分布。
圖2c示出了U＜0時的電場強度分布。
圖3示意圖示出了根據本發(fā)明的光敏電子元件的層結構。
圖4示出了根據圖3的元件的工作模式，其中圖4a示出了多層元件各層的空間安排。
圖4b示出了U＞0時的電場強度分布。
圖4c示出了U＜0時的電場強度分布以及μτ乘積的分布。
圖5示意圖示出了根據本發(fā)明的光敏電子元件與一個集成電路的組合的層結構。
圖1示出了NIPIN層系統(tǒng)的剖面，其中的NIPIN層淀積在載體(玻璃)上。玻璃襯底覆蓋有含透光導電氧化物的TCO層，在其頂部按圖1所示順序淀積各個非晶硅層。
淀積工藝利用熟知的PECVD工藝，其中的非晶硅在相當低的溫度下(約250℃)淀積成所需的厚度。
用鋁電極形成背接觸，外部電壓U加于其上，使電流I流入元件，TCO層從而形成參考電位。此裝置以這種方式起二個PIN二極管反串聯(lián)連接組合的作用。
如圖1所示，光從玻璃襯底垂直于各層的表面入射進入NIPIN層結構。
圖2a示出了半導體結構的示意圖。在形成NIPIN元件墊壘層的n型摻雜區(qū)中，存在重摻雜。在這些區(qū)域中，由于對應于高的缺陷密度存在電子和空穴之間的高復合幾率，故不發(fā)生載荷子收集。在此位置，由于摻雜濃度(設為圖2b和2c分別所示的常數)，故發(fā)生電場強度的線性增加。在本征導電區(qū)(設不存在空間電荷)，電場強度存在空間上幾乎恒定的分布，可動載荷子、缺陷和雜質對空間電荷的貢獻從而可忽略。利用電場，光生載荷子可被收集為主要光電流。熱激發(fā)的載荷子對暗電流有貢獻。由于NIPIN結構可認為是由二個反向串聯(lián)連接的PIN二極管組成的，故大部分壓降發(fā)生在極性沿阻擋方向的二極管的區(qū)域中。相反，極性沿傳導方向的二極管中的電場可忽略。從圖2b和2c可見，倘若熱激發(fā)載荷子可忽略，則中間p型層區(qū)域中存在的電場強度是外加電壓U的函數，從而在p型層中央某處的場強會通過零點。
電場強度按圖2b(U＞0)或按圖2c(U＜0)而隨外加于元件的電壓變化。如果按照圖2b向圖1所示的元件施加一個例如+2V的正電壓，則前部二極管的極性為阻擋方向，以致其內部形成一個強電場，使載荷子得以分離。由于此區(qū)域位于沿光入射方向的前部，故具有較低吸收長度的光的光譜分量亦即藍光在此處被吸收。
相反，若將負電壓加于元件，則在后部PIN二極管區(qū)域中形成空間電荷區(qū)，以致具有較大穿透深度的綠色或紅色光譜范圍中的光在其中被吸收。
由此，圖3示出了根據本發(fā)明的光敏電子元件的一個實施例。根據圖3，補充到圖1所示元件中的沿光入射方向的本征導電后部層被分割成二個畸性層I、II。由于畸性層I中存在一個比畸性層II更大的μτ乘積而發(fā)生分割。這種連接在圖4c粗線所示μτ特性中顯而易見，可看到I、II中的緩變變化。
由于元件其它的基本功能完全相同，這就導致下列的工作模式對應于圖4b，藍光產生的載荷子在外部正電壓施加于元件的情況下被優(yōu)先再收集。
相反，圖4C示出了負電壓U加于元件的情況。先考查負電壓較小，例如-0.5v電壓加于元件的情況。借助于將低自由遷移率的材料組合在第二本征導電層(畸性層II)的后部區(qū)域中，由此得到較低的μτ乘積，由具有高穿透深度的光(相當于紅光)產生的載荷子收集變差。因此，在這種電壓的情況下，由綠色光子產生的載荷子被優(yōu)先收集。由于畸性層I不含鍺，故其中的帶隙是如此之大，以致紅色光子不能被吸收或只能被不完全地吸收。
相反，若提高負電壓，則紅色載荷子能夠被優(yōu)先收集。由于畸性層II含有鍺而使其帶隙變小這一額外原因，使其中的紅色光子被吸收得特別好。
在后部本征導電層區(qū)域中的這種μτ乘積緩慢變化，導致紅/綠分離的顯著改善，而且與前部本征導電層區(qū)中發(fā)生的藍光吸收結合起來，有可能提供具有極高光譜選擇性的三色傳感器。
由于上述的基本功能，在根據本發(fā)明的元件中，也較好地提供了下列改善位于沿光入射方向前部的NIP二極管的本征導電層可由碳化層組成，以致得到改進了的藍/紅分離。為了降低暗電流，可在這一本征導電層中提供一個帶隙更窄的區(qū)域。
為了改善最大量子效率，可使沿光入射方向的前部結構的n型層碳化或制成微晶層，而中間的p型層也可碳化。
此外，借助于對本征導電層與中間p型層之間的過渡區(qū)進行輕摻雜，第一結構的藍光吸收靈敏度可向短波長方向移動。
為了優(yōu)化光譜選擇性，在a-SixGe1-xH層之后或之前，可安排一個分級的a-SixGe1-xH層或另一些不摻雜的層。
由圖3所述的元件可得到圖5所示的彩色圖象傳感器，其中的多層結構位于作為襯底的ASIC形式的集成電路的頂部。生產工藝借助于將絕緣層與金屬層互連而進行。此外，淀積過程中的層序是圖1或3分別所述方法之外的另一途徑。
根據圖5，光進入上述的結構。依賴于結晶ASIC結構對光單元的選擇，各個象素根據外加電壓而得到不同的光譜行為。按此法可逐個象素地對其照射光進行關于光譜分量的分析，且按此法轉換的光信號可進一步被電學處理。
權利要求
1.一種基于非晶硅及其合金的光敏電子元件，它包含二個彼此反向串聯(lián)的p-i-n或n-i-p或肖特基接觸結構，其中各情況下的有源層以通常方式沿光入射方向安排，從而在沿光入射方向的第一結構區(qū)域中，藍光所產生的載荷子為第一電壓收集；而在沿光入射方向的第二結構區(qū)中，綠或紅光所產生的載荷子為第二或第三電壓收集，從而二個本征導電層中至少一個由二個畸性層構成，此光敏電子元件的特征是，在位于沿光入射方向的前部的畸性層(I)中，載荷子遷移率和壽命的乘積(μτ乘積)較高；而在位于光入射方向的后部的畸性層(II)中，μτ乘積至少小10倍，以這種方式，此二個畸性層(I、II)在存在電場的情況下具有不同的載荷子收集長度，以致在位于光入射方向的前部的畸性層(I)中，綠光被增強吸收，而在位于光入射方向的后部的畸性層(II)中，紅光被增強吸收。
2.根據權利要求1的元件，其特征是二個畸性層中的μτ乘積的比為1∶10-1∶100。
3.根據上述權利要求中任一項的元件，其特征是第一畸性層中的μτ乘積的值為10-7cm2V-1-10-6cm2V-1，而第二畸性層中為10-8cm2V-1-10-7cm2V-1。
4.根據上述權利要求中任一項的元件，其特征是借助于引入外來原子，特別是a-SixGe1-xH而影響相對于本征導電非晶硅的載荷子遷移率來設定μτ乘積。
5.根據上述權利要求中任一項的元件，其特征是加于玻璃襯底的層的次序(a)一個n型導電的a-SiH層(b)一個第一本征導電的a-SiH層(c)一個p型導電的a-SiH層(d)一個由μτ乘積較高的第一畸性層和一個μτ乘積較第一畸性層低的第二畸性層所組成的第二本征導電的a-SiH層(e)一個n型導電的a-SiH層。
6.根據上述權利要求中任一項的元件，其特征是加于玻璃襯底的層的次序(a)一個p型導電的a-SiH層(b)一個第一本征導電的a-SiH層(c)一個n型導電的a-SiH層(d)一個由μτ乘積較高的第一畸性層和一個μτ乘積較第一畸性層低的第二畸性層所組成的第二本征導電的a-SiH層(e)一個p型導電的a-SiH層。
7.根據上述權利要求中任一項的元件，其特征是，在玻璃襯底和n-i-p-i-n或p-i-n-i-p層序之間，還提供了一個透明的導電氧化物層(TCO)。
8.根據上述權利要求中任一項的元件，其特征是，在至少一個本征導電層區(qū)域中，還提供了一個帶隙增大了的a-Si(C)H的本征導電層。
9.根據上述權利要求中任一項的元件，其特征是，提供了一個帶隙增大為1.72-1.95eV的a-Si(C)H的本征導電層來取代a-SiH本征導電層。
10.根據上述權利要求中任一項的元件，其特征是，提供了一個微晶或碳化非晶硅來取代摻雜的a-SiH層。
11.一種采用根據上述權利要求中任一項的元件的彩色傳感器，其特征是組成此元件的夾層結構淀積在集成電路的表面上。
12.根據權利要求11的彩色傳感器，其特征是此集成電路是一個ASIC。
13.根據權利要求11或12的彩色傳感器，其特征是石英、金屬、硅片、GaAs或塑料被用作載體襯底。
14.一種利用PECVD工藝制造基于非晶硅的光敏電子元件的工藝，其中，一個包含一個第一摻雜層、一個第一本征導電層、一個摻雜的中間層、一個第二本征導電層和一個摻雜的勢壘層的層序被置于玻璃襯底上，從而形成二個彼此反向串聯(lián)安排的p-i-n或n-i-p結，其特征是，二個本征導電層中至少一個由基于引入外來原子(具體為SixGe1-x)的二個畸性層構成，在二個畸性層中的遷移率不同，其μτ乘積彼此至少相差10倍，從而μτ乘積較高的畸性層處于沿光入射的前部。
15.根據權利要求14的工藝，其特征是二個畸性層中的μτ乘積之比為1∶20-1∶100。
全文摘要
一種基于非晶硅及其合金的光敏電子元件，它包含二個彼此反向串聯(lián)連接的p-i-n或n-i-p或肖特基接觸結構。有源層按正常方式沿光入射方向安排。在沿光入射方向的第一結構區(qū)中，由藍光產生的載荷子被敏感而產生第一電壓(V1)，而在沿光入射方向的第二結構區(qū)中，由紅或綠光產生的載荷子被敏感而產生第二(V2)和第三(V3)電壓。二個本征導電層中至少一個由二個畸性層構成。為獲得優(yōu)良光譜選擇性，第一畸性層(I)中載荷子遷移率與壽命的乘積(μτ乘積)較高，而第二畸性層(II)中的載荷子適移率與壽命的乘積(μτ乘積)較低，以使畸性層(I、II)在電場存在時具有不同的載荷子敏感長度。因此光入射方向中第一畸性層(I)吸收更多綠光，光入射方向中第二畸性層(II)吸收更多紅光。
文檔編號H01L31/102GK1162367SQ95196002
公開日1997年10月15日 申請日期1995年8月31日 優(yōu)先權日1995年8月31日
發(fā)明者馬庫斯·伯姆, 赫爾姆特·斯皮爾伯格 申請人:馬庫斯·伯姆