Емкостная моп диодная ячейка фотоприемника-детектора излучений

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц. В емкостной МОП диодной ячейке фотоприемника-детектора излучений применена новая электрическая схема, в которой используются усилительный обогащенный p-МОП транзистор, конденсатор, p-i-n-диод, поликремниевые резисторы, дополнительные p-МОП и n-МОП транзисторы и оригинальной конструкции ячейки координатного фотоприемника-детектора. Также использована функционально-интегрированная структура p-i-n-диода, в которой расположена емкость, разделяющая высокое напряжение, приложенное к p-i-n-диоду, и низкое напряжение питания для КМОП электронных схем. Это позволяет увеличить надежность работы, чувствительность и координатную точность фотоприемника-детектора излучений. 4 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц, а также квантово-цифровым детекторам-приемникам изображений.

Известны ячейки (пиксели) для монолитных фотоприемников и детекторов излучений на основе p-i-n-диода (1. D. Patti et al. United States Patent № US6, 465, 857, B1 Date Oct. 15.2002, US 006465857 B1), которая не обеспечивает усиления сигнала в пикселе и, следовательно, быстродействие и чувствительность детектора. Диодно-емкостная КМОП ячейка (2. I. Peric «А novel monolithic pixelated particle detector implemented in high-voltage CMOS technology» Nucl. Inst. Meth. Band A 582, pp. 876-885, August 2007), на основе DEPMOS - МОП транзистора с управлением по подложке имеет низкую крутизну и относительно высокий уровень шумов, из-за управления по подложке, что ограничивает их спектральную чувствительность. Биполярные транзисторные структуры (3. J. Kemmer, G. Lutz: Nucl. Instrum. Methods A 273, 588-598 (1988); 4. Координационный детектор релятивистских частиц, патент РФ №2197036 от 20.01.2003; 5. Интегральная БИ-МОП ячейка детектора излучений, патент РФ №2383968 от 20.03.2006 г. ) имеют пониженное напряжение пробоя из-за плавающего потенциала базы и нелинейность усиления при малом уровне сигнала (плотности тока).

Наиболее близкой по технической сущности является «МОП диодная ячейка монолитного фотоприемника-детектора излучений» (6. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений, патент РФ №2494497 от 21.07.2011 г.), электрическая схема и конструкция которой выбрана в качестве прототипа (фиг. 1, 2 соответственно).

Данная ячейка не обладает максимальной чувствительностью и надежностью работы из-за отделения (потери) части ионизационного тока, создаваемого ионизирующей частицей в область p-кармана (см. фиг. 2), кроме этого, высокое напряжение, приложенное к p-n-переходу карман, - подложка при наличии интенсивного излучения приводит к лавинному пробою p-n-перехода кармана, в случае использования в электрической схеме пиксели n-МОП и р-МОП транзисторов, расположенных в «двойном» кармане, возникает возможность включения тиристорной р+-n-р-n+-структуры (фиг. 2), что ведет к потере работоспособности детектора.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и надежности работы монолитного фотоприемника-детектора излучений.

Технический результат достигается следующим образом, емкостная МОП диодная ячейка фотоприемника-детектора излучений содержит общую шину, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, шину напряжения смещения, выходную шину, а также содержит усиливающий МОП транзистор, содержащий сток, исток, подзатворную область, область затвора, при этом его сток подсоединен к выходной шине, она содержит p-i-n-диод, катод (анод) которого подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, а анод (катод) - к первому выводу регистрирующего резистора. Усиливающий МОП транзистор является обогащенным транзистором р (n) типа проводимости, при этом его подзатворная область подсоединена к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, исток - к второй выходной шине, его затвор соединен с первым выводом резистора смещения, второй вывод которого подключен к шине напряжения смещения, затвор МОП транзистора также соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с анодом (катодом) p-i-n-диода и первым выводом регистрирующего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной.

Электрическая схема (см. фиг. 3): усиливающий МОП транзистор - Т1, который является обогащенным транзистором р (n) типа проводимости, его подзатворная область подсоединена к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +VDD, сток и исток к первой выходной шине - X и второй выходной шине - Y соответственно, его затвор соединен с первым выводом резистора смещения - R2, второй вывод которого соединен с шиной напряжения смещения - VCM, затвор усиливающего МОП транзистора - Т1 подключен к первому выводу конденсатора - С, второй вывод которого подсоединен к аноду (катоду) р-i-n-диода - D и первому выводу регистрирующего резистора - R1, второй вывод которого подсоединен к общей шине - Ш.

Конструкция (фиг. 4) функционально-интегрированной структуры емкостной МОП диодной ячейки фотоприемника-детектора излучений содержит общую шину, шину смещения, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, выходную шину, расположенные на верхней поверхности слаболегированной полупроводниковую подложки 1-го типа проводимости, на нижней поверхности подложки расположен сильно легированный слой 1-го типа проводимости катода (анода) p-i-n-диода, на котором расположен электрод катода (анода), подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, а на верхней поверхности подложки расположены толстый и тонкий диэлектрики, область 2-го типа проводимости, образующая анод (катод) p-i-n-диода, на которой расположен электрод анода (катода), подсоединенный к первому выводу поликремниевого регистрирующего резистора, расположенного на толстом диэлектрике, на тонком диэлектрике расположен поликремниевый затвор усиливающего МОП транзистора, в подложке также расположены области стока и истока усиливающего МОП транзистора, на которых расположены электроды стока и истока, соединенные с выходными шинами, в которой усиливающий МОП транзистор является обогащенным транзистором с каналом второго типа проводимости р (n) типа, его области стока и истока расположены на поверхности подложки и являются областями второго типа проводимости, при этом его подзатворная область одновременно является слаболегированной i-областью p-i-n-диода первого типа проводимости, на поверхности толстого диэлектрика расположен поликремниевый резистор смещения, первый вывод которого соединен с затвором усиливающего МОП транзистора, а второй - с шиной напряжения смещения; затвор МОП транзистора соединен с поликремниевым электродом МОП конденсатора, второй электрод которого одновременно является областью второго типа проводимости p-i-n-диода, которая через поликремниевый регистрирующий резистор подсоединена к общей шине.

Однако данная ячейка не обладает минимальными размерами, необходимыми для получения максимальной точности координатного детектирования из-за наличия в ней поликремниевых резисторов, обладающих значительными размерами.

Изобретение поясняется приведенными чертежами.

Электрическая схема для прототипа выбрана электрическая схема «МОП диодной ячейки монолитного детектора излучений» (фиг. 1), содержащая усиливающий МОП транзистор - Т1, p-i-n-диод - D, регистрирующий резистор - R1.

На фиг. 2 представлен разрез структуры ячейки прототипа.

Функционально-интегрированная структура интегральной схемы n-МОП ячейки детектора содержит полупроводниковую подложку 1-го типа проводимости - 1, на нижней поверхности подложки расположен сильно легированный слой 1-го типа проводимости - 2, на котором расположен электрод подложки - 3, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +VDD, а на верхней поверхности подложки слой тонкого диэлектрика - 7, на котором расположен электрод - затвора МОП транзистора - 8, в подложке также расположена область 2-го типа проводимости - 4, являющаяся подзатворной областью МОП транзистора, в которой расположена область 1-го типа проводимости - 5, являющаяся областью стока МОП транзистора, на поверхности области стока расположен электрод - 6, соединенный с выходной шиной X и область 1-го типа проводимости - 9, являющаяся областью истока МОП транзистора, причем на ее поверхности и поверхности области 2-го типа проводимости - 4 расположен электрод - 10, соединенный с общей шиной. На поверхности подложки - 1 расположен толстый диэлектрик - 11, на его поверхности расположен поликремниевый резистор - 12, на поверхности которого расположено два его электрода, при этом первый - 13 соединен с электродом затвора - 8, второй - 14 соединен с источником отрицательного (положительного) напряжения питания - Vcc, в подложке - 1 расположена вторая область 2-го типа проводимости, образующая анод (катод) p-i-n-диода - 15, на ее поверхности расположен электрод - 16, соединенный с электродом затвора - 8 и первым электродом - 13 резистора.

На фиг. 3 приведен вариант электрической схемы изобретения.

Электрическая схема фиг. 3 содержит: - первый усиливающий МОП транзистор - Т1, который является обогащенным транзистором р (n) типа проводимости, его подзатворная область подсоединена к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +VDD, сток и исток к первой выходной шине - X и второй выходной шине - Y соответственно, его затвор соединен с первым выводом дополнительного резистора смещения - R2, второй вывод которого соединен с шиной напряжения смещения - VCM, затвор усиливающего МОП транзистора - Т1 подключен к первому выводу конденсатора - С, второй вывод которого подсоединен к аноду (катоду) p-i-n-диода - D и первому выводу регистрирующего резистора - R1, второй вывод которого подсоединен к шине.

На фиг. 4 представлен разрез структуры ячейки изобретения.

Функционально-интегрированная структура емкостной МОП диодной ячейки фотоприемника-детектора излучений содержит полупроводниковую подложку 1-го типа проводимости - 1, на нижней поверхности подложки расположен сильно легированный слой 1-го типа проводимости - 2, на котором расположен электрод подложки - 3, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +VDD, а на верхней поверхности подложки, являющейся подзатворной областью усиливающего р (n) - МОП транзистора - Т1, на которой расположен слой тонкого диэлектрика - 4, на котором расположен электрод затвора - 5, в которой расположены области 2-го типа проводимости - стока - 6 и истока - 7 усиливающего МОП транзистора, на поверхности которых расположены электроды - 8, 9 выходных шин - X, Y соответственно, на поверхности подложки - 1 расположен толстый диэлектрик - 10 и осаждаемый диэлектрик - 11. На поверхности толстого диэлектрика - 10 расположен поликремниевый регистрирующий резистор - 12 (R1), на поверхности которого расположено два его электрода - 13, 14, при этом первый электрод - 13 соединен с электродом - 16 анодом (катодом), расположенным на области второго типа проводимости - 15 p-i-n-диода - D, второй электрод - 14 регистрирующего резистора - 12 соединен с общей шиной питания - Ш, электрод затвора - 5 усиливающего МОП транзистора - T1 соединен с первым электродом - 17 поликремниевого резистора смещения - 18 (R2) и электродом затвора - 5 усиливающего транзистора - Т1, второй электрод 19 усиливающего транзистора соединен с шиной напряжения смещения - VCM, электрод затвора - 5 соединен с электродом первой обкладки - 20 конденсатора - С, образованного поликремниевым слоем - 21, тонким оксидом - 4 и областью второго типа проводимости - 15.

Следует отметить, что в ячейке используется функционально-интегрированная структура p-i-n-диода, в которой расположена емкость (конденсатор), разделяющая высокое напряжение, приложенное к p-i-n-диоду и низкое напряжение питания низковольтной для КМОП электронных схем.

МОП диодная ячейка фотоприемника-детектора излучений работает следующим образом (схема на фиг. 3, конструкция на фиг 4).

При прохождении через подложку - 1 ионизирующей частицы (фиг. 2), например, релятивистского электрона, вдоль ее трека образуются электронно-дырочные пары в области пространственного заряда (ОПЗ) р-i-n-перехода, образованного подложкой - 1 n-типа и анодом - 4 диода р+-типа проводимости и частично в квазинейтральной области. Образованные ионизирующей частицей в квазинейтральной области (КНО) электронно-дырочные пары разделяются полем положительного напряжения +VDD и образуют ионизационный ток p-i-n-диода - D, который, протекая через регистрирующий резистор - R1 к общей шине - Ш, создает на нем импульс напряжения сигнала положительного знака, который проходит через конденсатор - С, подзакрывая усиливающий р-МОП транзистор. Протекающий через усиливающий р-МОП транзистор ток создает в выходных координатных шинах X, Y сигнал о времени ее прихода, энергии (спектре) и координате. При этом резистор смещения - R2, подключенный к шине напряжения смещения VCM, задает рабочий (линейный) режим работы усиливающего транзистора - Т1.

Пример конкретной реализации.

Двумерная матрица пиксель-ячеек фотоприемника-детектора излучений может быть выполнена по близкой к стандартной n-МОП (или КМОП) технологи, используемой при изготовлении интегральных схем, например по следующему технологическому маршруту:

а) формирование n+-контактной области - 2 в пластине кремния - 1 сопротивлением ρv~5 кОм/см с ориентацией 100, например диффузией фосфора в обратную сторону пластины;

б) окисление поверхности кремния и формирование в толстом оксиде - 11 окон для р-областей - 4, 15 (р-карман) с помощью процесса 1-й фотолитографии и формирование области путем имплантации атомов бора и последующем режиме отжига и разгонки примеси в глубину подложки;

в) окисление поверхности кремния и формирование в толстом оксиде - 11 окон для - области 22 (n-кармана) с помощью процесса 2-й фотолитографии и формирование области путем имплантации атомов фосфора и последующем режиме отжига и разгонки примеси в глубину подложки;

г) окисление поверхности кремния, формирование тонкого подзатворного оксида - 7 и осаждение поликристаллического слоя кремния на поверхность пластины и проведение операции 3-й фотолитографии - обтрава поликремния - 12;

д) проведение 4-й фотолитографии и последующей имплантации в поликремний мышьяка, т.е. формирование области затвора - 8 и областей стока, истока n-типа МОП транзистора с последующим термическим отжигом;

е) проведение 5-й фотолитографии и последующей имплантации в поликремний бора, т.е. формирование области затвора - и областей стока, истока p-типа МОП транзистора с последующим термическим отжигом;

ж) формирование резистора путем имплантации фосфора в поликремний и последующим отжигом;

з) осаждение низкотемпературного диэлектрика и формирование в нем 6-й фотолитографией контактных окон;

и) осаждение алюминия и проведение 7-й фотолитографии разводки (обтрава) алюминия.

Изготовленные по данной технологии p-i-n-диоды имели пробивное напряжение Vпр свыше 300 В, р-МОП транзисторы имели пороговое напряжение Vт=-1,0 В, а n-МОП транзисторы пороговое напряжение Vт=+1,0 В.

Емкостная МОП диодная ячейка фотоприемника-детектора излучений, содержащая общую шину, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, шину напряжения смещения, выходную шину, а также содержит усиливающий МОП транзистор, содержащий сток, исток, подзатворную область, область затвора, при этом его сток подсоединен к выходной шине, она содержит p-i-n-диод, катод (анод) которого подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, а анод (катод) - к первому выводу регистрирующего резистора, отличающаяся тем, что усиливающий МОП транзистор является обогащенным транзистором р (n) типа проводимости, при этом его подзатворная область подсоединена к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, исток - ко второй выходной шине, его затвор соединен с первым выводом резистора смещения, второй вывод которого подключен к шине напряжения смещения, затвор МОП транзистора также соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с анодом (катодом) p-i-n-диода и первым выводом регистрирующего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. Изобретение обеспечивает повышение эффективности регистрации оптических и глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с). Согласно изобретению предложен кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений, содержащий диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности вертикальными одиночными n+-p--p+(p+-n--n+) переходами и расположенными в диодных ячейках параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n+-p-(p+-n-) переходами, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом он содержит в диодных ячейках дополнительные вертикальные n+-p-(p+-n-) переходы, причем их области n+(p+) типа подсоединены соответственно областями n+(p+) типа n+-p-(p+-n-) горизонтальных переходов к областям - n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом на его нижней и боковых поверхностях расположен слой диэлектрика толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике, на поверхности которого размещен слой радиоактивного металла толщиной, равной длине пробега электронов в металле, при этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц.

Изобретение относится к области полупроводниковых оптоэлектронных устройств, в частности к фотодетекторам с высокой эффективностью регистрации света. Ячейка для фотоэлектронного умножителя на основе кремния согласно изобретению содержит первый слой (2) первого типа проводимости, второй слой (3) второго типа проводимости, сформированный на первом слое (2), причем первый слой (2) и второй слой (3) формируют первый p-n-переход.

Изобретение может найти применение для регистрации излучений в ядерной физике, в физике высоких энергий, а также при создании цифровых рентгеновских аппаратов, преимущественно маммографов.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений содержит МОП транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания и выходную шину, при этом для повышения качества детектирования, т.е.

Изобретение относится к области детектирования ионизирующих излучений с использованием полупроводниковых устройств и может быть использовано в научно-исследовательском оборудовании и средствах радиационной защиты.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. .

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. .

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение для измерения основных параметров нейтронных потоков. .

Изобретение относится к микроэлектронике, и в частности к созданию матричных детекторов релятивистских частиц. .

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. Изобретение обеспечивает повышение эффективности регистрации оптических и глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений.

Изобретение относится к системе визуализации и более конкретно к детектору со счетом фотонов с разрешением по энергии. Система визуализации содержит источник излучения, испускающий излучение, проходящее через область исследования, и детекторную матрицу с множеством пикселей детектора со счетом фотонов, которые детектируют излучение, проходящее через область исследования, и соответствующим образом генерируют сигнал, показывающий детектированное излучение.

Использование: для регистрации электромагнитного излучения со сложным спектральным составом. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый комбинированный приемник электромагнитного излучения включает соосно расположенные каналы регистрации оптического и жесткого электромагнитного излучения, созданный на основе чередующихся эпитаксиально согласованных слоев чувствительных в соответствующих спектральных диапазонах полупроводниковых материалов с электронно-дырочными переходами или без них, чувствительные слои располагают по разные стороны подложки, толщина чувствительного к жесткому электромагнитному излучению материала приемника на два порядка больше, чем у чувствительного материала фотоприемника, в качестве фильтра для приемника жесткого электромагнитного излучения, обрезающего излучение оптического диапазона, используют слой чувствительного к этому излучению полупроводникового материала, на основе которого формируют фотоприемник оптического диапазона.

Изобретение относится к детектору для обнаружения высокоэнергетического излучения. Детектор (100) излучения содержит преобразовательный элемент (102) для преобразования падающего высокоэнергетического излучения (X) в зарядовые сигналы, катод (101) и решетку (104) анодов (103), расположенные на разных сторонах преобразовательного элемента, для генерации электрического поля (Е0, Ed) в преобразовательном элементе (102), при этом преобразовательный элемент (102) имеет пространственную неоднородность, за счет которой напряженность упомянутого электрического поля (Е0, Ed) увеличивается в первой области (Rd) вблизи анодной решетки и/или уменьшается во второй области (R0) на удалении от анодной решетки.

Изобретение относится к детектору излучения и соответствующему способу детектирования излучения. Детектор (100-400) излучения содержит элемент-преобразователь (110) для преобразования падающего излучения (X) в электрические сигналы; периодический или квазипериодический массив анодов (130-430), расположенный на первой стороне элемента-преобразователя (110); по меньшей мере два направляющих электрода (140-440), которые расположены примыкающими к двум различным анодам; блок (150) управления, который подсоединен к упомянутым по меньшей мере двум направляющим электродам (140-440) и приспособлен подавать различные электрические потенциалы на упомянутые по меньшей мере два направляющих электрода (140-440), при этом упомянутые потенциалы являются функцией напряжений холостого хода, которые возникают между направляющим электродом (140-440) и соответствующим анодом, когда между соответствующими анодами (130-430) и катодом (120) подается напряжение.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с). Согласно изобретению предложен кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений, содержащий диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности вертикальными одиночными n+-p--p+(p+-n--n+) переходами и расположенными в диодных ячейках параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n+-p-(p+-n-) переходами, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом он содержит в диодных ячейках дополнительные вертикальные n+-p-(p+-n-) переходы, причем их области n+(p+) типа подсоединены соответственно областями n+(p+) типа n+-p-(p+-n-) горизонтальных переходов к областям - n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом на его нижней и боковых поверхностях расположен слой диэлектрика толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике, на поверхности которого размещен слой радиоактивного металла толщиной, равной длине пробега электронов в металле, при этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц.

Изобретение относится к области формирования радиологических изображений, компьютерной томографии (СТ), эмиссионной томографии, радиационных детекторов и их предшествующему уровню техники.

Предлагаемое изобретение «Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц» относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц.

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе малого диаметра со статическим (неоткачиваемым) вакуумом.

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при создании измерителей мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки, размещаемой на космическом аппарате.
Наверх