Фотоприемное устройство с вертикальным разделением цветов и вертикально-горизонтальным переносом зарядов

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 известном устройстве фотоприемной ячейки предложено часть электрической схемы, предназначенную для вертикального считывания, выполнить в виде затворного электрода ячейки, формирующего приповерхностную область первой группы при подаче на него напряжения хранения или считывания, для горизонтального перемещения зарядов к усилителю, выполнить электрическую схему горизонтального считывания в виде расположенных вне вертикальных каналов и зон освещения объемных каналов ПЗС, содержащих фазные затворы, соединенные с фазными шинами, и схемы ввода зарядов восстановления начального потенциала в ячейках после считывания, параллельно каждому каналу ПЗС выполнить одну или более шин выборки, поочередно соединенные с затворами выборки, осуществляющие зарядовую связь канала ПЗС с приповерхностными областями, сформированными под затворными электродами ячеек. Изобретение обеспечивает увеличение считываемого сигнала при предельно малой площади ячейки. 1 з.п. ф-лы, 2 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 устройства, содержащие ячейки с вертикальным разделением цветов и вертикальным переносом зарядов к приповерхностным областям, соединенным с электрической схемой считывания. См. патент США 7132724 (Complete-charge-transfer vertical color filter detector). Это устройство имеет в каждой ячейке три приповерхностные области, занимающие существенную площадь. Известна также фотоприемная ячейка с вертикальным разделением цветов и вертикальным переносом зарядов к единственной приповерхностной области, соединенной с электрической схемой считывания, состоящей из транзисторов и координатных и сигнальных шин.

Указанное устройство содержит ячейки с тремя или более расположенными друг над другом полупроводниковыми областями первой группы с различными спектральными чувствительностями, с типом проводимости, концентрацией и конфигурацией, необходимыми для собирания носителей тока первой полярности, отделенными друг от друга полупроводниковыми базовыми областями с типом проводимости, концентрацией и конфигурацией, необходимыми для собирания и удаления носителей тока противоположной полярности, соединенными друг с другом и общим электродом, обеспечивающие электроизоляцию областей первой группы друг от друга и от базовых областей, барьерные области, расположенные в базовых областях между областями первой группы, формирующие совместно с базовыми областями пороговый вертикальный канал порогового переноса носителей тока первой полярности путем соответствующего выбора в областях, принадлежащих каналу, концентраций барьерных и/или базовых областей, а также их толщины, электрическую схему считывания, соединенную с приповерхностными областями первой группы и осуществляющую под управлением сигналов координатной выборки подачу на приповерхностную область первой группы последовательно во времени напряжений считывания относительно базовых областей величиной, кратной номеру выбранной для считывания области первой группы по глубине ее расположения и соответственно достаточной для преодоления барьерных порогов и последовательного перетекания заряда от одной области первой группы к другой и в схему считывания.

Однако известное устройство имеет недостаток: схема считывания, имеющая в ячейке один транзистор, при большом количестве ячеек, подключенных к сигнальной шине, значительно ослабляет сигнал.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение считываемого сигнала при предельно малой площади ячейки.

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

- часть электрической схемы, предназначенную для вертикального считывания, выполнить в виде затворного электрода ячейки, формирующего приповерхностную область первой группы при подаче на него напряжения хранения или считывания,

- для горизонтального перемещения зарядов к усилителю выполнить электрическую схему горизонтального считывания в виде расположенных вне вертикальных каналов и зон освещения объемных каналов ПЗС, содержащих фазные затворы, соединенные с фазными шинами, и схемы ввода зарядов восстановления начального потенциала в ячейках после считывания,

- параллельно каждому каналу ПЗС выполнить одну или более шин выборки, поочередно соединенные с затворами выборки, осуществляющие зарядовую связь канала ПЗС с приповерхностными областями, сформированными под затворными электродами ячеек.

Дополнительно предложено:

- затворные электроды ячеек выполнить из поликремния.

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

Уменьшенная площадь ячейки обеспечивается за счет того, что она имеет всего одну приповерхностную область считывания, а большая величина сигнала обеспечивается переносом зарядов из ячейки к усилителю практически без ослабления ПЗС схемой считывания.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение.

Фиг.1а иллюстрирует предлагаемое устройство в разрезе.

Фиг.1б показывает предлагаемое устройство в плане.

Фотоприемное устройство с вертикальным разделением цветов и вертикально-горизонтальным переносом зарядов, сформированное на полупроводниковой подложке, состоит (см. фиг.1) из ячеек (1) с тремя (2, 3, 4) или более расположенными друг над другом полупроводниковыми областями первой группы с различными спектральными чувствительностями, с типом проводимости, концентрацией и конфигурацией, необходимыми для собирания носителей тока первой полярности, отделенными друг от друга полупроводниковыми базовыми областями (5) с типом проводимости, концентрацией и конфигурацией, необходимыми для собирания и удаления носителей тока противоположной полярности, соединенными друг с другом и общим электродом (вокруг матрицы ячеек), обеспечивающими электроизоляцию областей первой группы друг от друга и от базовых областей, барьерных областей (6, 7, 8), расположенных в базовых областях между областями первой группы, формирующих совместно с базовыми областями вертикальный канал порогового переноса носителей тока первой полярности путем соответствующего выбора в областях, принадлежащих каналу, концентраций барьерных и/или базовых областей, а также их толщины, из электрической схемы, предназначенной для вертикального считывания, выполненной в виде прозрачного для принимаемого излучения затворного электрода (9) ячейки, формирующего приповерхностную область (10) первой группы при подаче на него напряжения хранения или считывания, из электрической схемы для горизонтального перемещения зарядов к усилителю, выполненной в виде расположенных вне вертикальных каналов и зон освещения каналов ПЗС (11), содержащих фазные затворы (12, 13, 14, 15), соединенные с фазными шинами (16, 17, 18, 19), и схемы ввода (на периферии кристалла) зарядов восстановления начального потенциала в ячейках после считывания, из одной или более шин выборки (20, 21), выполненных параллельно каждому каналу ПЗС, поочередно соединенных с затворами выборки (22, 23, 24, 25), осуществляющих зарядовую связь канала ПЗС с приповерхностными областями, сформированными под затворными электродами ячеек.

Приведенный на фиг.1а и 1б пример реализации включает структуру ячеек (1), аналогичную по параметрам структуре прототипа, за исключением приповерхностной области (10) первой группы, которая является областью обеднения базы (5), формируемой при подаче на затворный электрод (9) ячейки (1) напряжения хранения или считывания. В схеме считывания использован стандартный 4-фазный ПЗС (11-19). На каждую ячейку приходится 16 фазных электродов для хранения и перемещения зарядов трех цветов и заряда восстановления потенциала. Передачей зарядов из ячеек в ПЗС и из ПЗС в ячейки управляют сигналы, подаваемые поочередно на каждую из двух шин (20, 21) выборки, подключенных к затворам выборки (к 22 и 23, к 24 и 25), по одному от каждой ячейки. Шаг ячеек по обеим координатам вместе со схемой выборки не превышает 2 мкм при минимальном топологическом размере 0.18 мкм.

Устройство работает следующим образом.

Вертикальное считывание зарядов производится так же, как и в прототипе. Заряды, перетекающие из глубинных областей (3, 4) в приповерхностную область (2) ячейки, затем передаются при совпадении импульсов напряжения на соответствующем фазном затворе (12-15) и затворе (22-24) выборки в ПЗС или из ПЗС в приповерхностную область ячейки (2). Далее производится продвижение зарядов по ПЗС к усилителю и из приповерхностной области ячейки (2) во вторую по глубине область (3) для восстановления ее начального потенциала до величины одного порога, поскольку он после считывания имеет величину двух порогов. Таким образом, считываются последовательно четыре субкадра, а именно через четыре строки по двум сигналам на каждой из двух шин (20, 21) выборки.

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.

1. Фотоприемное устройство с вертикальным разделением цветов и вертикально-горизонтальным переносом зарядов, сформированное на полупроводниковой подложке, содержащее ячейки с тремя или более расположенными друг над другом полупроводниковыми областями первой группы с различными спектральными чувствительностями, с типом проводимости, концентрацией и конфигурацией, необходимыми для собирания носителей тока первой полярности, отделенными друг от друга полупроводниковыми базовыми областями с типом проводимости, концентрацией и конфигурацией, необходимыми для собирания и удаления носителей тока противоположной полярности, соединенными друг с другом и общим электродом, обеспечивающие электроизоляцию областей первой группы друг от друга и от базовых областей, барьерные области, расположенные в базовых областях между областями первой группы, формирующие совместно с базовыми областями вертикальный канал порогового переноса носителей тока первой полярности путем соответствующего выбора в областях, принадлежащих каналу, концентраций барьерных и/или базовых областей, а также их толщины, электрическую схему считывания, соединенную с приповерхностными областями первой группы и осуществляющую под управлением сигналов координатной выборки подачу на приповерхностную область первой группы последовательно во времени напряжений считывания относительно базовых областей величиной, кратной номеру выбранной для считывания области первой группы по глубине ее расположения и соответственно достаточной для преодоления барьерных порогов и последовательного перетекания заряда от одной области первой группы к другой, и в схему считывания, отличающееся тем, что часть электрической схемы, предназначенная для вертикального считывания, выполнена в виде прозрачного для принимаемого излучения затворного электрода ячейки, формирующего приповерхностную область первой группы при подаче на него напряжения хранения или считывания, для горизонтального перемещения зарядов к усилителю выполнена электрическая схема горизонтального считывания в виде расположенных вне вертикальных каналов и зон освещения каналов ПЗС, содержащих фазные затворы, соединенные с фазными шинами, и схемы ввода зарядов восстановления начального потенциала в ячейках после считывания, параллельно каждому каналу ПЗС выполнены одна или более шин выборки, поочередно соединенные с затворами выборки, осуществляющими зарядовую связь канала ПЗС с приповерхностными областями, сформированными под затворными электродами ячеек.

2. Фотоприемное устройство по п.1, отличающееся тем, что затворные электроды ячеек выполнены из поликремния.