Фотоприемное устройство

Изобретение относится к области электроники и измерительной техники и предназначено для регистрации излучения в различных спектральных диапазонах видимого спектра излучения в фотоэлектрических спектральноселективных преобразователях изображения. Фотоприемное устройство содержит пять вертикально-интегрированных слоев с противоположным типом проводимости, каждый из которых соединен с тремя МОП транзисторами, расположенными так, что в фотоприемном устройстве приповерхностный фоточувствительный слой n⁺-типа проводимости от поверхности подложки расположен до 0,2 мкм и находится в непосредственном контакте со средним слоем p-типа проводимости, расположенном в глубине подложки от 0,2 мкм до 0,7 мкм, который находится в непосредственном контакте со средним слоем n-типа проводимости, расположенным от 0,7 мкм до 1,2 мкм, причем он находится в непосредственном контакте с глубоким слоем p-типа проводимости, расположенным от 1,2 мкм до 1,7 мкм, причем он находится в непосредственном контакте с глубоким слоем n-типа проводимости, расположенным от 1,7 мкм до 2,5 мкм, который находится в непосредственном контакте с полупроводниковой подложкой p-типа проводимости. Изобретение обеспечивает увеличение селективности разложения белого цвета на спектральные диапазоны длин волн для регистрации синего, зеленого и красного спектральных диапазонов видимого излучения и расширения функциональных возможностей за счет селективной регистрации пяти спектральных диапазонов видимого излучения. 6 ил.

 

Изобретение относится к области электроники и измерительной техники и предназначено для регистрации излучения в различных спектральных диапазонах видимого спектра излучения в фотоэлектрических спектральноселективных преобразователях изображения.

Известны устройства для регистрации видимого излучения в различных спектральных диапазонах на основе интерференционных фильтров, в которых используются разнесенные по площади фоточувствительной структуры области для регистрации различных спектральных диапазонов, снабженные дополнительно фильтрами для поглощения определенного спектрального диапазона видимого излучения: синего, зеленого или красного диапазонов [1, 2]. Однако данные устройства имеют сложную конструкцию и технологию изготовления, требуют дополнительной площади для регистрации каждого спектрального диапазона видимого излучения.

От данного недостатка свободны фотоприемные устройства на основе приборов с зарядовой связью с фоточувствительными каналами, размещенными на различных расстояниях в глубине полупроводниковой подложки [3-4]. Устройства данного типа используют эффект спектральной зависимости коэффициента поглощения оптического излучения для различного спектрального диапазона видимого излучения от глубины проникновения излучения в материал кремниевой подложки. Однако работа устройств данного типа основана на переносе зарядовых пакетов через всю кремниевую структуру для сброса в регистр, что приводит к уменьшению эффективности переноса.

От этого недостатка свободно фотоприемное устройство, которое является наиболее близким аналогом, содержащее три вертикально-интегрированных слоя с противоположным типом проводимости, каждый из которых соединен с тремя МОП транзисторами, обеспечивающими поочередное считывание сигнала с каждого слоя противоположного типа проводимости в одну и туже шину столбца [5]. Однако данное устройство имеет достаточно размытый спектральный диапазон для регистрации синего, зеленого и красного диапазонов видимого излучения, кроме того, данное устройство может регистрировать только три спектральных диапазона видимого излучения.

Задачей предложенного фотоприемного устройства является увеличение селективности разложения белого цвета на спектральные диапазоны длин волн для регистрации синего, зеленого и красного спектральных диапазонов видимого излучения и расширения функциональных возможностей за счет селективной регистрации пяти спектральных диапазонов видимого излучения.

Поставленная задача достигается тем, что предложенное фотоприемное устройство содержит пять вертикально-интегрированных слоев с противоположным типом проводимости, каждый из которых соединен с тремя МОП транзисторами, отличается тем, что содержит два дополнительных вертикально-иитегрированных полупроводниковых слоя противоположного типа проводимости, каждый из которых соединен с тремя дополнительными МОП транзисторами.

Фотоприемное устройство может содержать пять вертикально-интегрированных слоев противоположного типа проводимости, причем приповерхностный фоточувствительный слой n-типа проводимости от поверхности подложки расположен до 0,2 мкм и имеет n⁺-тип проводимости; он находится в непосредственном контакте со средним слоем p-типа проводимости, расположенном в глубине подложки от 0,2 мкм до 0,7 мкм; данный слой находится в непосредственном контакте со средним слоем p-типа проводимости, расположенным от 0,7 мкм до 1,2 мкм, причем он находится в непосредственном контакте с глубоким слоем n-типа проводимости, расположенным от 1,2 мкм до 1,7 мкм, причем он находится в непосредственном контакте с глубоким слоем n-типа проводимости, расположенным от 1,7 мкм до 2,5 мкм, который находится в непосредственном контакте с полупроводниковой подложкой p-типа проводимости.

Фотоприемное устройство имеет следующие концентрации легирующих примесей: глубокий слой n-типа проводимости имеет концентрацию доноров 1·10¹⁶ см^-3; глубокий слой p-типа проводимости над ним имеет концентрацию акцепторов 1·10¹⁷ см^-3; средний слой n-типа проводимости имеет концентрацию доноров 1·10¹⁸ см^-3; средний слой p-типа проводимости над ним имеет концентрацию акцепторов 1·10¹⁷ см^-3 и приповерхностный слой n-типа проводимости имеет концентрацию доноров 1·10¹⁹ см^-3; в p-подложке концентрация акцепторов 1·10¹⁵ см^-3.

Таким образом, в рассматриваемой структуре имеются пять p-n-переходов, удаленных от верхней поверхности кремниевой подложки на глубины - 0,2 мкм, 0,7 мкм, 1,2 мкм, 1,7 мкм и 2,5 мкм. При освещении структуры ячейки сверху оптическим излучением указанные глубины залегания p-n-переходов от поверхности подложки обеспечивают разделение образующихся фотоносителей, соответствующих разным диапазонам длин волн оптического излучения. Это является следствием зависимости коэффициента поглощения оптического излучения в кремнии от длины волны [Dash W.C. and Newman R. Intrinsic Optical Absorption in Single-Crystal Germanium and Silicon at 77K and 300K. // Physical Rewiew, vol.99, №4, august 1955, pp.1151-1155].

С целью увеличения селективности разложения “белого” света на спектральные диапазоны длин волн возможно применение конструкции фотоячейки, включающей в себя пять вертикально соединенных областей противоположного типа проводимости. При этом имеется пять p-n-переходов с расположением их металлургических границ от поверхности на расстояниях (мкм): 0,2; 0,7; 1,2; 1,7; 2,5. Следовательно, вертикальная структура содержит три n-области, две p-области и p-подложку. К каждой области (и к подложке) имеется отдельный металлический контакт, с помощью которого можно выводить соответствующий фотосигнал. Толщины полупроводниковых областей выбраны из соображений выделения пяти отдельных спектральных диапазонов длин волн оптического излучения. Данные толщины оптимизированы путем теоретических расчетов и эксперимента.

В результате численного расчета на ЭВМ уравнений фоторелаксации n- и p-областей этой структуры установлено, что максимумы спектральных фоточувствительностей лучше разделены, чем в фотоячейке, содержащей три вертикально-интегрированных области с противоположными типами проводимости, и приходятся на длины волн: для приповерхностной n-области - 0,42 мкм, для средней p-области - 0,47 мкм, для средней n-области - 0,53 мкм, для глубокой p-области - 0,62 мкм, для глубокой n-области - 0,7 мкм, в то время как в фоточувствительной структуре с тремя вертикально-интегрированными областями с противоположными типами проводимости спектральные характеристики фоточувствительностей n- и p-областей структуры фотоячейки раззделены по длинам волн оптического диапазона так, что максимумы спектральных фоточувствительностей приходятся соответственно на длины волн: для приповерхностной n-области - 0,42 мкм, для средней p-области - 0,5 мкм, для глубокой n-области - 0,62 мкм.

На фиг.1 представлен схематический разрез фотоприемного устройства с пятью вертикально-интегрированными областями противоположного типа проводимости, образующими пять вертикально-интегрированных p-n-переходов:

1 - глубокий слой n-типа проводимости;

2 - глубокий слой p-типа проводимости;

3 - средний слой n-типа проводимости;

4 - средний слой p-типа проводимости;

5 - приповерхностный слой n-типа проводимости.

V₁, V₂, V₃, V₄, V₅ - контакты для управляющих напряжений.

На фиг.2 представлен планарный топологический вид расположения основных конструктивных элементов фотоячейки с пятью вертикально-интегрированными слоями противоположного типа проводимости: 5 - фоточувствительная поверхность фотоячейки, 6 - металлургические границы p-n-переходов, 7 - контактные окна, 8 - p-область для МОП транзисторов схем считывания фотосигналов.

На фиг.3 представлено схематическое изображение сверху фотоячейки с пятью вертикально-интегрированными слоями противоположного типа проводимости, а также электронных схем установки и считывания оптических фотосигналов из n- и p-областей. V_уст - напряжения установки; V_n, V_p - напряжения обратных смещений n- и p-областей; V_пит - напряжения питания, T1÷T15 - обозначения транзисторов.

На фиг.4 представлено распределение электрического потенциала в фотоячейке с пятью вертикально-интегрированными слоями противоположного типа проводимости при T=300 К. Кривая 1 - начальное стационарное обедненное состояние n- и p-областей, управляющие напряжения равны: V₁=V₃=V₅=+1,5 B; V₂=V₄=-1,0 В; кривая 2 - равновесное состояние, соответствующие управляющие напряжения равны: V₁=V₂=V₃=V₄=V₅=0.

На фиг.5 представлены спектральные характеристики фоточувствительностей n-областей фотоячейки с пятью вертикально-интегрированными слоями противоположного типа проводимости (сплошные линии): 1 - приповерхностная n-область, 2 - средняя n-область; 3 - глубокая n-область. Для сравнения пунктиром указаны спектральные характеристики фоточувствительностей n- и р-областей фотоячейки с тремя вертикально-интегрированными слоями противоположного типа проводимости.

На фиг.6 представлены зависимости максимальных времен фоторелаксации обедненных областей p-n-переходов фотоячейки с пятью вертикально-интегрированными слоями противоположного типа проводимости от длины волны поглощаемого оптического излучения (области: 1 - глубокая n1; 2 - глубокая p1; 3 - средняя n2; 4 - средняя p2; 5 - приповерхностная n3). Освещенность .

Представленное на фиг.1 фоточувствительное устройство изготавливается по стандартной КМОП технологии, включающей в себя ионные имплантации соответствующих легирующих примесей атомов (ионов) фосфора, бора с последующими их “отжигами” для создания последовательно вложенных одна в другую n- и p-областей. Для создания p-n-переходов концентрации соответствующих легирующих примесей увеличиваются в 10 раз (для перекомпенсации предыдущей примеси).

С увеличением концентрации примесей в n- и p-областях существенно уменьшаются соответствующие ОПЗ p-n-переходов и, следовательно, возрастают внутренние электрические поля. Для устранения превышения электрического поля ОПЗ критического значения в двух приповерхностных p-n-переходах выбраны меньшие концентрации легирующих примесей.

На фиг.2 представлен вид сверху (в плане) на фотоячейку, изображенную в масштабе с топологическими размерами, соответствующими субмикронным размерам фотоячейки с пятью p-n-переходами. Планарный топологический вид расположения основных конструктивных элементов фотоячейки с пятью p-n-переходами, где 5 - фоточувствительная поверхность фотоячейки, 6 - металлургические границы p-n-переходов, 7 - контактные окна, 8 - p⁺-области для МОП транзисторов схем считывания фотосигналов.

На фиг.3 представлено схематическое изображение сверху вертикальной фоточувствительной пятидиодной ячейки, а также электронных схем установки и считывания оптических фотосигналов из n- и p-областей, где V_уст - напряжения установки; V_n, V_p, - напряжения обратных смещений n- и p-областей; V_пит - напряжения питания; T1÷T15 - обозначения транзисторов.

Электронные схемы считывания фотосигналов из каждой n- и p-области фотоприемного устройства выполняются в прилегающих к ее фоточувствительной части p⁺-областях шириной 2 мкм. Каждая схема считывания фотосигнала включает в себя МОП транзистор установки соответствующего напряжения обеднения на n- (или p-) область, затем усилительный МОП транзистор и третий МОП транзистор, предназначенный для считывания фотосигнала на шину разряда.

Схемотехническая организация управления фотоячейкой содержит пять “шин строк” для считывания фотосигналов пяти спектральных диапазонов длин волн и одну “шину разряда”.

Предложенное фотоприемное устройство работает следующим образом: в потенциальных ямах, сформированных управляющими напряжениями, в вертикально-интегрированных полупроводниковых слоях генерируются фотоносители за счет поглощения в каждом из слоев излучения видимого диапазона, соответствующего различным длинам волн в зависимости от глубины размещения вертикально-интегрированного слоя различного типа проводимости, затем производится считывание фотоиндуцированного заряда с помощью МОП транзисторов.

Распределение электрического потенциала в пятидиодной фотоячейке было получено аналитическим решением уравнения Пуассона для каждой n- и p-области ее структуры.

Кроме того, были выполнены численные расчеты на ЭВМ с помощью программы САПР ISE TCAD одномерного и двумерного распределений электрических потенциалов в полупроводниковой толще структуры фотоячейки в соответствии с толщинами слоев согласно фиг.1 и выбранными концентрациями легирующих примесей в них.

Распределение электрического потенциала в пятидиодной вертикальной фотоячейке при T=300К представлено на фиг.4, где кривая 1 - начальное стационарное обедненное состояние n- и p-областей, управляющие напряжения равны: V₁=V₃=V₅=+1,5 В; V₂=V₄=-1,0 В; кривая 2 - равновесное состояние, соответствующие управляющие напряжения равны: V₁=V₂=V₃=V₄=V₅=0.

Был также выполнен расчет времени терморелаксации рассматриваемой структуры по соотношению:

При этом учли, что максимальные рассчитанные величины фотоносителей, собираемых в каждой “потенциальной яме”, а именно:

в глубокой n-области - ΔQ_n1фото=2.62·10¹¹ см^-2;

в p-области - ΔQ_p1фото=8,2·10¹¹ см^-2;

в средней n-области - ΔQ_n2фото=18,4·10¹¹ см^-2;

в средней p-области - ΔQ_p2фото=13,9·10¹¹ см^-2;

в приповерхностной n-области - ΔQ_n3фото=9,64·10¹¹ см^-2.

Кроме того, установлено, что величины соответствующих плотностей термотоков в рассматриваемых n- и p-областях структуры равны (мкА/см²): 2,3; 6,4; 4,6; 10,0; 3,3. Поэтому согласно выражению (1) времена терморелаксации n- и p-областей равны: =0,018 с; =0,021 с; =0,063 с; =0,022 с и =0,047 с. В качестве общего времени терморелаксации всей структуры выберем наименьшее из указанных времен - 0,018 с. Тогда время цикла (одного периода) управления фотоячейкой равно: Т_цикл=0,001·T_терм=18 мкс, а соответствующая частота цикла управления фотоячейкой равна: .

Следует отметить, что схемотехника опроса фотоячеек спектрозональной фоточувствительной матрицы на основе вертикально-интегрированных фотодиодов возможна двумя способами. В первом случае шины выборки n- и p-областей каждой отдельной фотоячейки могут быть объединены в одну горизонтальную шину “выборки строки”. При этом считываемые из n- и p-областей фотосигналы выводятся (учитываются) на три отдельные вертикальные “шины разрядов”. Во втором случае каждой n- и p-области фотоячейки соответствует своя шина “выборки строки” (т.е. три горизонтальные шины “выборки строки” на фотоячейку), но считываемые из них фотосигналы выводятся последовательно на одну вертикальную “шину разрядов”.

Полная электрическая схема управления работой отдельной фотоячейки содержит пятнадцать n-канальных МОП транзисторов T1÷T15. Указанные МОП транзисторы выполняются на общей с фоточувствительной ячейкой p-подложке в дополнительной p-области (N_А=1·10¹⁷ см^-3) одновременно с p-областью фотоячейки. Сток и исток n-типа (N_o=1·10¹⁸ см^-3) этих транзисторов формируются в указанной p-области в одном технологическом процессе с приповерхностной n-областью фотоячейки. Указанное расположение транзисторов схем управления в дополнительной p-области может обеспечить как контролируемые значения их пороговых напряжений (при субмикронной длине их каналов), так и дополнительную боковую изоляцию со всех сторон всех фотоячеек фотоматрицы от “паразитных” поверхностных токов утечек по p-подложке. Затворы МОП транзисторов и шина напряжения установки - V_уст могут быть изготовлены из поликремния. А для создания компактной многослойной разводки шин, подающих напряжения V_пит, V_n, V_p, а также шин “выборки строк” и “шин разрядов”, можно использовать пять слоев металлизации, разделенных слоями диэлектриков. Может быть также применен верхний четвертый слой металла на диэлектрике, защищающий всю матрицу отсвета с соответствующими окнами для фоточувствительных n- и p-областей фотоячеек.

На основании этих данных по фототокам построены (в относительном масштабе) спектральные характеристики фоточувствительностей каждой n-области структуры рассматриваемой фотоячейки, которые представлены на фиг.4. Спектральные характеристики фоточувствительностей n-областей пятидиодной фотоячейки (сплошные линии): 1 - приповерхностная n-область, 2 - средняя n-область; 3 - глубокая n-область. Для сравнения пунктиром указаны спектральные характеристики фоточувствительностей n- и p-областей трехдиодной фотоячейки. Эти зависимости показывают, что максимумы спектральных фоточувствительностей n-областей соответствуют следующим длинам волн: для приповерхностной n-области - λ_MAX=0,42 мкм, для средней n-области - λ_MAX=0,53 мкм, для глубокой n-области - λ_MAX=0,7 мкм. Сравнение со спектральными характеристиками фоточувствительностей n- и p-областей трехдиодной фотоячейки показывает, что предложенная фотоячейка с пятью вертикально-интегрированными фотодиодами проявляет большую селективность в разделении оптического диапазона длин волн на три спектральные области: “синюю”, “зеленую” и “красную”.

Кроме того, наличие еще двух дополнительных фотосигналов, считываемых из двух p-областей, дает еще два дополнительных спектральных диапазона с максимумами, соответствующими длинам волн: λ_MAX=0,47 мкм и λ_MAX=0,62 мкм. Указанные особенности пятидиодной фотоячейки расширяют ее применение в качестве спектрозонального фотоприемника для систем технического зрения.

Расчет максимально допустимых времен фоторелаксации (накопления фотозарядов) может быть выполнен по выражению:

По рассчитанным фототокам были также получены зависимости максимальных времен фоторелаксации для каждой n- и p-области пятидиодной фотоячейки, которые представлены на фиг.6. Зависимости максимальных времен фоторелаксации обедненных областей p-n-переходов пятидиодной фотоячейки от длины волны поглощаемого оптического излучения (области: 1 - глубокая n1; 2 - глубокая p1; 3 - средняя n2; 4 - средняя p2; 5 - приповерхностная n3). Освещенность . Наименьшие значения указанных максимальных времен фоторелаксации наблюдаются в диапазонах длин волн наибольших фоточувствительностей n- и p-областей и составляют величины: 44 нс; 222 нс; 446 нс; 167 нс; 132 нс соответственно для областей n1, p1, n2, p2, n3. Вне диапазонов максимальных фоточувствительностей времена фоторелаксаций существенно возрастают.

Таким образом, проведенный анализ конструктивных параметров, амплитуд управляющих напряжений, фотоэлектрических характеристик вертикально интегрированной пятидиодной фотоячейки показал возможность создания на ее основе спектрозонального фотоэлектрического преобразователя изображений с высокой селективностью выделения нескольких (пяти) оптических диапазонов длин волн. Это делает перспективным его применение в системах технического зрения.

Использованные источники информации

1. Патент США №3971065.

2. Патент США №5502299.

3. Патент США №4651001.

4. Патент США №4677286.

5. Патент США №5965875 (прототип).

Фотоприемное устройство, содержащее три вертикально-интегрированных слоя с противоположным типом проводимости, каждый из которых соединен с тремя МОП транзисторами, отличающееся тем, что содержит два дополнительных вертикально-интегрированных полупроводниковых слоя противоположного типа проводимости, каждый из которых соединен с тремя дополнительными МОП транзисторами, расположенных так, что в фотоприемном устройстве приповерхностный фоточувствительный слой n⁺-типа проводимости от поверхности подложки расположен до 0,2 мкм и находится в непосредственном контакте со средним слоем p-типа проводимости, расположенном в глубине подложки от 0,2 мкм до 0,7 мкм, который находится в непосредственном контакте со средним слоем n-типа проводимости, расположенным от 0,7 мкм до 1,2 мкм, причем он находится в непосредственном контакте с глубоким слоем p-типа проводимости, расположенным от 1,2 мкм до 1,7 мкм, причем он находится в непосредственном контакте с глубоким слоем n-типа проводимости, расположенным от 1,7 мкм до 2,5 мкм, который находится в непосредственном контакте с полупроводниковой подложкой p-типа проводимости.