Односекционная фотоячейка с разделением цветов

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к производству интегральных многоэлементных фотоприемников, например, для видеокамер и цифровой фотографии. Технический результат изобретения: уменьшение уровня шумов цветоотделения интегральных фотоприемников и достижение технологической совместимости фотоприемных ячеек с CMOS считывания и другими схемами управления фотоприемниками. Сущность: фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению содержит первый p-n переход, расположенный в первой отдельной области подложки, изолированной диэлектриком, второй p-n переход, расположенный в приповерхностной части второй изолированной области и образованный инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния, расположеном на слое двуокиси кремния над ним. Под первым p-n переходом расположена первая дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, под которой расположена первая дополнительная область противоположного подложке типа проводимости, к которой примыкает изолированная диэлектриком вторая дополнительная область противоположного подложке типа проводимости с дополнительным омическим контактом. А под упомянутыми областями противоположного подложке типа проводимости расположена вторая дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, генерированных в подложке. 1 ил.

 

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к производству интегральных многоэлементных фотоприемников, например, для видеокамер и цифровой фотографии.

Известны фотоприемные ячейки для интегральных многоэлементных фотоприемников, выполненные в виде фотодиодов (1), предназначенных для считывания изображения во всем видимом диапазоне длин волн. Недостатком таких фотоприемных ячеек является невозможность выявления составляющих светового потока с различными длинами волн.

Известны также фотоприемные ячейки с разделением цветов падающего светового потока, содержащие в кремниевой подложке первого типа проводимости области, образующие p-n-переходы для разделения носителей заряда, генерированных различными составляющими светового потока от элемента изображения, проецируемого на поверхность ячейки (2).

Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и выбирается в качестве прототипа.

Известные фотоприемные ячейки имеют следующие существенные недостатки: высокий уровень шумов цветоотделения, определяемый недостаточной эффективностью разделения фототоков, определяемых спектральным составом падающего излучения; технологическая несовместимость с CMOS элементами схем считывания.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение уровня шумов цветоотделения интегральных фотоприемников.

Другим техническим результатом настоящего изобетения является достижение технологической совместимости фотоприемных ячеек с CMOS считывания и другими схемами управления фотоприемниками.

Эти технические результаты достигнуты в односекционной фотоячейке с разделением цветов, содержащей в кремниевой подложке первый и второй p-n-переходы, удаленные на различные расстояния от поверхности, покрытой слоем двуокиси кремния, в которой первый p-n-переход расположен в первой отдельной области подложки, изолированной диэлектриком, второй p-n-переход расположен в приповерхностной части второй изолированной области и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния, расположеном на слое двуокиси кремния над ним, под первым p-n-переходом расположена первая дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, под которой расположена первая дополнительная область противоположного подложке типа проводимости, к которой примыкает изолированная диэлектриком вторая дополнительная область противоположного подложке типа проводимости с дополнительным омическим контактом, а под упомянутыми областями противоположного подложке типа проводимости расположена вторая дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, генерированных в подложке.

Отличия фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что первый p-n-переход расположен в первой отдельной области подложки, изолированной диэлектриком, второй p-n-переход расположен в приповерхностной части второй изолированной области и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния, расположеном на слое двуокиси кремния над ним, под первым p-n-переходом расположена первая дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, под которой расположена первая дополнительная область противоположного подложке типа проводимости, к которой примыкает изолированная диэлектриком вторая дополнительная область противоположного подложке типа проводимости с дополнительным омическим контактом, а под упомянутыми областями противоположного подложке типа проводимости расположена вторая дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, генерированных в подложке.

Изобретение поясняется приведенным чертежом, на котором приведен схематический разрез фотоприемной ячейки согласно настоящему изобретению.

Фотоприемная ячейка согласно настоящему изобретению содержит кремниевую подложку 1, в которой сформирован первый p-n-переход 2, расположенный в первой 3 отдельной области подложки 1, изолированной диэлектриком 5, второй p-n-переход 6, расположенный в приповерхностной части первой изолированной области 3 и образованный инверсионным слоем 7, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния 8, расположеном на слое двуокиси кремния 9 над ним. В структуре ячейки имеются омические контакты 10, 11, 12 и 13 к изолированной области, инверсионному слою и подложке. Под первым p-n-переходом 2 расположена первая дополнительная область 14 одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, под которой расположена первая дополнительная область 15 противоположного подложке типа проводимости, к которой примыкает изолированная диэлектриком 5 вторая дополнительная область 4 противоположного подложке типа проводимости с дополнительным омическим контактом 17, и под которой расположена вторая дополнительная область 16 одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, генерированных в подложке. В качестве подложки ячейки может быть использован кремний, легированный бором с концентрацией порядка 10¹⁴...10¹⁵. Области 14 и 16 могут быть сформированы ионным легированием на глубине 1.45...1.5 μм (максимум концентрации акцепторов) и 2.45...2.5μм соответственно.

Фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению работает следующим образом. Световой поток от элемента изображения определенной цветности, содержащий сочетание излучений в синем, зеленом и красном поддиапазонах оптического спектра, проецируется на поверхность фотоприемной ячейки. Область 3 с частью p-n-перехода 2 работает как обычный фотодиод и производит считывание изображения в синем и зеленом дипазонах длин волн. Поэтому ток через электроды 12 и 13 несет информацию о синей и зеленой составляющих. В области 3 часть излучения, соответствующая ультрафиолетовому поддиапазону оптического спектра, полностью поглощается слоем 8 поликристаллического кремния с толщиной не менее 0,2 мкм. Остальные части излучения в световом потке, соответствующие упомянутым поддиапазонам спектра, поглощаются в подложке 1 с образованием электронно-дырочных пар. При этом зеленая часть спектра генерирует электронно-дырочные пары в области подложки толщиной (до 1,5-2) мкм. Наиболее глубоко в подложку (до 7) мкм проникает красная и инфракрасная составляющие излучения и, соответственно, эти составляющие генерируют электронно-дырочные пары в более протяженном слое. Определение в световом потоке долей излучений, соответствующих зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра, производится путем определения количества генерированных ими электронно-дырочных пар. Для этой цели в приповерхностном слое подложки создан p-n- переход 2 и создан p-n-переход 6, образованный приповерхностным инверсионным слоем 7, который образуется под упомянутым слоем поликристаллического кремния 8 при приложении к нему напряжения положительной полярности. Электрические поля в этих переходах разделяют электроны и дырки. В результате разделения носителей заряда формируются токи, через омические контакты 10, 12 и 13, величины которых пропорциональны количеству генерированных электронно-дырочных пар и, следовательно, зависят от интенсивности долей излучений, соответствующих синему и зеленому поддиапазонам оптического спектра.

В ток, соответствующий красной составляющей от светового потока, падающего на поверхность подложки, вносит вклад и инфракрасная составляющая. Это приводит к ошибкам распознавания спектрального состава потока в известных фотоячейках. Кроме того, независимо от светового потока, падающего на поверхность подложки, в глубине подложки генерируются электронно-дырочные пары, обусловленные шумами. Эти носители заряда в известных фотоприемных ячейках могут достигать p-n-переходов и вносить определенный вклад в токи, по величинам которых определяются доли излучений в падающем световом потоке, соответствующие синему, зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра. Таким образом, возникают ошибки цветоразделения в известных ячейках-аналогах и прототипе. В фотоприемной ячейке с разделением цветов согласно настоящему изобретению дополнительная область 16 одинакового с подложкой типа проводимости, формирующая потенциальный барьер, блокирует продвижение неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера, к p-n-переходам. Дополнительная область 16, например, может быть расположена на глубине, равной 2,45 мкм. В результате в значительной мере ослабляется влияние шумов на результаты цветоразделения. Блокирование носителей заряда, генерированных в областях подложки, расположенных вокруг ячейки, осуществляется посредством диэлектрической изоляции 5. Эта конструктивная деталь вносит дополнительный вклад в эффективность цветоразделения.

Область 14 препятствует проникновению электронов, генерированных красной составляющей спектра, к переходу 2.

Область 15 представляет собой потенциальную яму для электронов, генерированных красной составляющей спектра. Посредством области 4 производится подведение тока, обусловленного упомянутыми электронами, к контакту 17, через который осуществляется его считывание.

Односекционная фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению может быть изготовлена по широкоизвестной технологии CMOS типа (4) и найти широкое прменение при создании СБИС матричных фотоприемников, например, для видеокамер и цифровой фотографии.

ЛИТЕРАТУРА

1. USA Patent №5,668,596 September, 1997.

2. USA Patent №5,965,875 October, 1999.

3. High Speed CMOS Logic Data Book. Texas Instruments Ltd, 1991.

4. LVT Low Voltage Technology. Texas Instruments Ltd, 1992.

Односекционная фотоячейка с разделением цветов, содержащая в кремниевой подложке первый и второй p-n-переходы, удаленные на различные расстояния от поверхности, покрытой слоем двуокиси кремния, отличающаяся тем, что первый p-n-переход расположен в первой отдельной области подложки, изолированной диэлектриком, второй p-n-переход расположен в приповерхностной части второй изолированной области и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния, расположенном на слое двуокиси кремния над ним, под первым p-n-переходом расположена первая дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, под которой расположена первая дополнительная область противоположного подложке типа проводимости, к которой примыкает изолированная диэлектриком вторая дополнительная область противоположного подложке типа проводимости с дополнительным омическим контактом, а под упомянутыми областями противоположного подложке типа проводимости расположена вторая дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, генерированных в подложке.