Фотоприемная ячейка с вертикальным разделением цветов

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в многоспектральных матричных фотоприемниках, в частности для преобразования цветных изображений повышенного формата и высокой плотности пикселей в электрические сигналы в фотоаппаратах и видеокамерах. Согласно изобретению в фороприемной ячейке с вертикальным разделением цветов предложено электрическую схему считывания соединять с приповерхностной областью первого типа проводимости и осуществлять подачу режимного напряжения считывания на нее, сформировать для переноса в схему считывания накопленных за время экспозиции зарядов носителей тока первой полярности из низлежащих областей первого типа проводимости в областях второго типа проводимости, расположенных между всеми областями первого типа проводимости, вертикальный канал путем соответствующего выбора в областях, принадлежащих каналу, концентраций барьерных и базовых областей, а также их толщины, обеспечивающий наличие в областях первого типа проводимости потенциальных ям для носителей тока первой полярности, достаточной величины для собирания и хранения зарядов фотоносителей тока первой полярности без взаимовлияния. Причем схему считывания выполняют таким образом, чтобы она обеспечивала подачу последовательно во времени на приповерхностную область первого типа проводимости режимных напряжений считывания относительно базовых областей величиной, кратной номеру потенциальной ямы, из которой она производит считывание, и соответственно достаточной для последовательного перетекания заряда от одной потенциальной ямы к другой и в схему считывания из первой, второй, третьей и т.д. потенциальных ям, принадлежащих первой, второй, третьей и т.д. областям первого типа проводимости. Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение площади ячейки. 4 ил.

 

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в многоспектральных матричных фотоприемниках, в частности для преобразования цветных изображений повышенного формата и высокой плотности пикселей в электрические сигналы в фотоаппаратах и видеокамерах.

Известны фотоприемные ячейки с вертикальным разделением цветов (См. патенты США: 5,965,875 «Разделение цветов в ячейках фотоприемной матрицы, использующее трехслойную структуру», 6,632,701 В2 «Детекторы с вертикальным фильтром цветов и матрица из них»).

В обоих источниках описывается устройство ячейки, сформированной на полупроводниковой подлжке, содержащей три расположенных друг над другом полупроводниковых р-n-перехода, чувствительных в различных спектральных диапазонах света, например голубом, зеленом и красном.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство, описанное в патенте США 6,727,521 В2 «Детекторы с вертикальным фильтром цветов и матрица из них».

Указанное устройство содержит фотоприемную ячейку с вертикальным разделением цветов, сформированную на полупроводниковой подложке, содержащую три или более расположенных друг над другом полупроводниковых области первого типа проводимости с конфигурацией, необходимой для собирания носителей тока первой полярности, отделенных друг от друга полупроводниковыми базовыми областями второго типа проводимости, с конфигурацией, необходимой для собирания и удаления носителей тока противоположной полярности, соединенными друг с другом и общим электродом, образующими с областями первого типа проводимости р-n-переходы с различными спектральными чувствительностями, и обеспечивающие электроизоляцию областей первого типа проводимости друг от друга и от базовых областей, барьерные области, расположенные в базовых областях под областями первого типа проводимости, электрическую схему считывания, осуществляющую под управлением сигналов координатной выборки подачу на области первого типа проводимости режимных напряжений и считывание фотосигналов от каждой из них.

Однако известные устройства имеют недостаток: площадь ячейки велика, так как имеет изолированные выводы от всех областей первого типа проводимости к приповерхностным контактам и соответствующее им количество схем считывания.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение площади ячейки.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном устройстве фотоприемной ячейки предложено:

- электрическую схему под управлением сигналов координатной выборки соединять с приповерхностной областью первого типа проводимости и осуществлять подачу режимного напряжения считывания на нее,

- сформировать для переноса в схему считывания накопленных за время экспозиции зарядов носителей тока первой полярности из низлежащих областей первого типа проводимости в областях второго типа прводимости, расположенных между всеми областями первого типа проводимости, вертикальный канал путем соответствующего выбора в областях, принадлежащих каналу, концентраций барьерных и базовых областей, а также их толщины, обеспечивающего наличие в областях первого типа проводимости потенциальных ям для носителей тока первой полярности, достаточной величины для собирания и хранения зарядов фотоносителей тока первой полярности без взаимовлияния,

- причем схему считывания выполнить таким образом, чтобы она обеспечивала подачу последовательно во времени на приповерхностную область первого типа проводимости режимных напряжений считывания относительно базовых областей величиной, кратной номеру потенциальной ямы, из которой она производит считывание, и соответственно достаточной для последовательного перетекания заряда от одной потенциальной ямы к другой и в схему считывания из первой, второй, третьей и т.д. потенциальных ям, принадлежащих первой, второй, третьей и т.д. областям первого типа проводимости.

Указанный выше технический результат достигается совокупностью перечисленных выше новых признаков изобретения.

Уменьшение площади ячейки достигается за счет того, что она имеет всего один контакт к приповерхностной области первого типа проводимости (не считая общего для всех ячеек контакта к базовым слоям) и соответствующего уменьшения количества схем считывания до одной.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение:

Фиг.1 иллюстрирует известное устройство (прототип).

Фиг.2 иллюстрирует предлагаемое устройство.

Фиг.3а показывает потенциальный рельеф в структуре для полностью заполненных носителями потенциальных ям (кривая 1), для полностью пустых ям (кривая 2), для различных комбинаций заполненных (в т.ч. частично) и пустых ям (кривые 3-8).

Фиг.3б показывает потенциальный рельеф в структуре, обеспечивающий перетекание зарядов в схему считывания от первой потенциальной ямы при напряжении на приповерхностном электроде V_D=1,6 В (кривая 1), от второй через первую при V_D=3.2 В (кривая 2), от третьей через вторую и первую при V_D=4,8 В (кривая 3).

Фиг.4 показывает напряжение считывания, подаваемое на приповерхностный электрод V_D для считывания зарядов из трех потенциальных ям и их восстановления.

Фотоприемная ячейка с вертикальным разделением цветов состоит (см. фиг.2) из трех или более расположенных друг над другом полупроводниковых областей первого типа проводимости (1, 2, 3) с конфигурацией, необходимой для собирания носителей тока первой полярности, отделенных друг от друга полупроводниковыми базовыми областями (4) второго типа проводимости, с конфигурацией, необходимой для собирания и удаления носителей тока противоположной полярности, соединенными друг с другом и общим электродом, образующими с областями первого типа проводимости р-n-переходы с различными спектральными чувствительностями, и обеспечивающие электроизоляцию областей первого типа проводимости друг от друга и от базовых областей, барьерные области (5, 6, 7), расположенные в базовых областях под областями первого типа проводимости, электрическую схему считывания (8), осуществляющую под управлением сигналов координатной выборки соединение с приповерхностной областью (1) первого типа проводимости и подачу на нее напряжения считывания, вертикальный канал (9), сформированный в областях второго типа проводимости (4), расположенных между всеми областями первого типа проводимости (1, 2, 3), путем соответствующего выбора в областях, принадлежащих каналу, концентраций барьерных (5, 6, 7) и базовых (10, 11) областей, а также их толщины, обеспечивающего наличие в областях первого типа проводимости потенциальных ям для носителей тока первой полярности, достаточной величины для собирания и хранения зарядов фотоносителей тока первой полярности без взаимовлияния, причем схема считывания (8) выполнена таким образом, что обеспечивает подачу последовательно во времени на приповерхностную область (1) первого типа проводимости режимных напряжений считывания относительно базовых областей (4) величиной, кратной номеру потенциальной ямы, из которой она производит считывание, и соответственно достаточной для последовательного перетекания заряда от одной потенциальной ямы к другой и в схему считывания из первой, второй, третьей и т.д. потенциальных ям, принадлежащих первой (1), второй (2), третьей (3) и т.д. областям первого типа проводимости.

Приведенные на фиг.3 и фиг.4 характеристики были расчитаны для структуры, имеющей размеры канала 1×1 мкм², расстояния между областями (1, 2, 3) 0,6 мкм с концентрацией базовых областей в канале (10, 11) второго типа проводимости (р-тип) 10¹⁵ см^-3 (подложка), толщину барьерных (5, 6, 7) областей 0,3 мкм с концентрацией второго типа проводимости (р-тип) 3 10¹⁶ см^-3, их расположение - точно посередине между областями (1)-(2), (2)-(3) и ниже области (3) на границе проникновения красной составляющей света. Вертикальная структура ячейки, кроме канала, имеет в соответствии с настоящим изобретением зону изолирующих базовых областей (4) второго типа проводимости (р-тип) с концентрацией 2·10¹⁷ см^-3 и барьерных (5, 6, 7) областей (р-тип) с концентрацией 3·10¹⁶ см^-3. Ширина этой зоны 0,3 мкм. Концентрации во всех областях структуры кроме подложки имеют Гауссово распределение. Шаг ячейки вместе с транзистором схемы выборки при размерах областей (1, 2, 3), не выходящих за пределы канала, не превышает 2 мкм при длине затвора 0.25 мкм.

Ячейка работает следующим образом:

Схема считывания (8) во время соединения подает последовательно во времени (см. фиг.4) на приповерхностную область (1) первого типа проводимости режимные напряжения считывания относительно базовых областей (4) величиной, кратной номеру потенциальной ямы, из которой она производит считывание, и соответственно достаточной для последовательного перетекания заряда от одной потенциальной ямы к другой и в схему считывания из первой, второй, третьей и т.д. потенциальных ям, принадлежащих первой (1), второй (2), третьей (3) и т.д. областям первого типа проводимости. После переноса заряда из последней (на фиг.2 - третьей области) потенциальной ямы и снятия напряжения считывания вторая и третья потенциальные ямы восстанавливаются (см. фиг.3, кривая 4). Затем восстанавливается первая потенциальная яма подачей на область (1) соответствующего напряжения считывания (см. фиг.3, кривая 2). После этого связь схемы считывания с областью (1) размыкается и все потенциальные ямы оказываются предустановленными и переходят в фазу накопления фотоносителей, созданных светом, каждая - в зоне, ограниченной барьерными областями.

Настоящее описание изобретения, в т.ч. состава и работы устройства, включая предлагаемый вариант его исполнения, предполагает его дальнейшее возможное совершенствование специалистами и не содержит каких-либо ограничений в части реализации. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.

Фотоприемная ячейка с вертикальным разделением цветов, сформированная на полупроводниковой подложке, содержащая три или более расположенных друг над другом полупроводниковых области первого типа проводимости с конфигурацией, необходимой для собирания носителей тока первой полярности, отделенных друг от друга полупроводниковыми базовыми областями второго типа проводимости, с конфигурацией, необходимой для собирания и удаления носителей тока противоположной полярности, соединенными друг с другом и общим электродом, образующими с областями первого типа проводимости р-n переходы с различными спектральными чувствительностями, и обеспечивающие электроизоляцию областей первого типа проводимости друг от друга и от базовых областей, барьерные области, расположенные в базовых областях под областями первого типа проводимости, электрическую схему считывания, осуществляющую под управлением сигналов координатной выборки подачу на области первого типа проводимости режимных напряжений и считывание фотосигналов от каждой из них, отличающаяся тем, что электрическая схема считывания соединяется с приповерхностной областью первого типа проводимости и осуществляет подачу режимного напряжения считывания на нее, а для переноса в схему считывания накопленных за время экспозиции зарядов носителей тока первой полярности из низлежащих областей первого типа проводимости в областях второго типа проводимости, расположенных между всеми областями первого типа проводимости, сформирован вертикальный канал путем соответствующего выбора в областях, принадлежащих каналу, концентраций барьерных и базовых областей, а также их толщины, обеспечивающий наличие в областях первого типа проводимости потенциальных ям для носителей тока первой полярности, достаточной величины для собирания и хранения зарядов фотоносителей тока первой полярности без взаимовлияния, причем схема считывания выполнена таким образом, что обеспечивает подачу последовательно во времени на приповерхностную область первого типа проводимости режимных напряжений считывания относительно базовых областей величиной, кратной номеру потенциальной ямы, из которой она производит считывание, и соответственно достаточной для последовательного перетекания заряда от одной потенциальной ямы к другой и в схему считывания из первой, второй, третьей и т.д. потенциальных ям, принадлежащих первой, второй, третьей и т.д. областям первого типа проводимости.