Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений



Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений
Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений
Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений
Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений

 


Владельцы патента RU 2617881:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение может быть использовано в современных системах дальнометрии, управления неподвижными и движущимися объектами, зондирования облачности, контроля рельефа местности и т.д. Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений содержит электрическую схему, состоящую из принимающего излучение фототранзистора и усиливающего транзистора, при этом коллекторы транзисторов подключены к шине питания, база фототранзистора через сопротивление фототранзистора в базовой цепи подключена к общей шине, эмиттер фототранзистора подсоединен к базе усиливающего транзистора, которая через сопротивление в базовой цепи усиливающего транзистора подсоединена к общей шине, его эмиттер подключен к выходной шине, которая через сопротивление нагрузки соединена с общей шиной, при этом конструкция содержит множество фототранзисторов, образующих 2-мерную прямоугольную матрицу столбцов из фототранзисторов, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, при этом эмиттеры фототранзисторов подключены к соответствующим разрядным шинам, которые соединены с базовыми областями строки усиливающих транзисторов соответствующими данными столбцами, при этом эмиттеры усиливающих транзисторов подсоединены к выходной шине. При этом конструкция интегральной схемы быстродействующего матричного приемника оптических излучений состоит из кремниевой полупроводниковой подложки n(p)-типа проводимости, на обратной поверхности которой расположен n+ (p+)-слой, на поверхности которого расположен электрод шины питания, на лицевой поверхности пластины расположены диэлектрик, контактные окна, выходная шина, фототранзистор и усиливающий транзистор, области p(n)-типа проводимости сопротивлений, а на лицевой поверхности подложки расположено множество фототранзисторов, образующих столбцы 2-мерной матрицы, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, имеющих общую коллекторную область, в которой расположены базовые области p(n)-типа проводимости, при этом их площадь равна площади светового луча, в них соответственно расположены n+ (p+)-области эмиттеров, на которых размещены их электроды, подсоединенные к соответствующим разрядным шинам столбцов, соединенных с электродами соответствующих баз строки усиливающих транзисторов, на эмиттерах которых расположены эмиттерные электроды, подсоединенные к выходной шине. Технический результат изобретений заключается в повышении быстродействия и чувствительности фотоприемников. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области фотоэлектрических приемников (ФЭП) излучений оптического диапазона для применений в современных системах дальнометрии, управления неподвижными и движущимися объектами, зондирования облачности, контроля рельефа местности, оптических линий связи и т.д.

Известны традиционные ФЭП реализованные на основе PIN-диодов, лавинопролетных диодов [1. D. Patti ot ab «Semiconductor particle detector and method for IIS Manufacture; 2. Скрылев П.С. и др., КМДП-ФОТОПРИЕМНИК. Патент РФ 2251760 от 05.08.2002], МОП-структур [3. К. Секен, М. Томпсет. Приборы с переносом заряда. М.: Мир, 1978 г., с. 12-14], биполярных фототранзисторов [4. Патент РФ №2133524 от 20.07.1999 г.].

Такие приборы имеют недостатки: PIN-диод не усиливает мощность излучения, лавинопролетный диод не обеспечивает линейной зависимости выходного сигнала от мощности излучения, МОП-структуры приборов с зарядовой связью имеют низкое быстродействие при выборке сигнала, в биполярном фототранзисторе имеется значительная паразитная емкость эмиттерного перехода, которая значительно снижает его быстродействие, при этом прибор имеет невысокий коэффициент усиления при низкой мощности оптического излучения, приходящейся на единицу светопоглощающей поверхности.

Общим недостатком вышеприведенных известных приборов является отсутствие максимального локального усиления сигнала при засветке малой части светопоглощающей поверхности, что приводит к уменьшению коэффициента усиления ФЭП и уменьшению его быстродействия. Этот недостаток в меньшей степени проявляется в схеме и конструкции составного биполярного фотодектора [5. US Patent 2011/0079708], который и выбран за прототип.

Электрическая схема (фиг. 1а) содержит принимающий излучение фотодиод, паразитный вертикальный биполярный n-p-n-транзистор, которые формируются в едином КМОП-процессе, при этом n-область фотодиода подключена к коллектору транзистора, а p-область - к области p-базы транзистора. Эмиттер фототранзистора подсоединен к общей шине.

Конструкция (фиг. 1б) его содержит кремниевую полупроводниковую подложку p-типа проводимости. На лицевой поверхности пластины расположены диэлектрик, p-область фотодиода, n-область фотодиода, глубокий n-карман, который является областью коллектора паразитного транзистора. В нем сформирован n-карман, являющийся базой транзистора. В p-кармане сформирована область n-эмиттера.

Недостатком прототипа также является отсутствие локального усиления сигнала при попадании оптического излучения в малую часть фоточувствительной области прибора, что приводит к уменьшению коэффициента усиления фотоэлектрического приемника оптических излучений и уменьшению его быстродействия.

Целями изобретения является повышение быстродействия, коэффициента усиления мощности излучения и чувствительности фотоэлектрического приемника.

Цели достигаются за счет оригинальной электрической схемы и конструкции фотоприемника матричной интегральной схемы, содержащей функционально-интегрированные пиксельные биполярные структуры, имеющие общую коллекторную область.

Электрическая схема ФЭП (фиг. 2а) содержит множество фототранзисторов, образующих двумерную прямоугольную матрицу столбцов из фототранзисторов, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, при этом эмиттеры фототранзисторов одного столбца подключены через разрядные шины к базе усиливающего транзистора.

На фиг. 2б показана конструкция интегральной схемы, в которой на лицевой поверхности подложки расположено множество фототранзисторов, образующих столбцы двумерной матрицы, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, и имеющих общую коллекторную область, в которой расположены базовые области, при этом их площадь равна площади падающего оптического пучка. Эмиттеры фототранзисторов соединены с базами усиливающих транзисторов, а эмиттеры усиливающих транзисторов подключены к общей шине.

Электрическая схема предлагаемого ФЭП показана на фиг. 2а, она содержит двумерную матрицу биполярных фототранзисторов ТФ, коллекторы которых подсоединены к шине питания VDD, базы через сопротивления базовой цепи Rбф - к общей шине, эмиттеры ТФ подсоединены к базам усилительных транзисторов ТУ. Эмиттеры транзисторов ТУ подключены к выходной шине ВЫХ и через нагрузочное сопротивление RH к общей шине.

Конструкция и топология (вид сверху) интегральной схемы ФЭП показаны соответственно на фиг. 2б, в и содержат полупроводниковую подложку - 1 p (n)-типа проводимости, на обратной поверхности которой расположен n+(p+) слой - 2, на поверхности которого расположен электрод шины питания - 3, на лицевой поверхности пластины расположены диэлектрик - 4, контактные окна - 5, общая шина - 6, выходная шина - 7, разрядные шины - 8, области баз p (n)-типа фототранзистора - 9 и усиливающего транзистора - 10 соответственно, области n (p)-типа проводимости их эмиттеров - 11 и 12 соответственно, базовые электроды - 13 и 14, эмиттерные электроды - 15 и 16, поликремниевые резисторы в цепи фототранзистора - 17, усиливающего транзистора - 18 и нагрузочного транзистора - 19.

Технология изготовления

Согласно изобретению он может быть изготовлен по относительно простой технологии биполярных СБИС, показанной на фиг. 3, которая состоит в последовательности следующих операций.

1. На поверхности кремниевых пластин КЭФ-5000 ориентацией (100) выращивают оксид толщиной 0,6-0,8 мкм, удаляют оксид с обратной стороны и проводят диффузию фосфора при температуре Т=900°C в течение 1 часа, затем удаляют образовавшийся оксид и фосфорно-силикатное стекло и выращивают при температуре Т=900°C оксид толщиной 0,8 мкм на лицевой стороне пластины.

2. Осаждают поликремний на лицевую поверхность пластины и легируют его бором дозой D=10 мкКл с энергией Е=30 кэВ.

3. Путем проведения первой фотолитографии и ионного легирования фосфора дозой D=500 мкКл формируют поликремниевые резисторы.

4. В оксиде вскрывают окна для p-областей баз транзисторов и проводят ионное легирование бора дозой D=3 мкКл, затем окисляют поверхность кремния до толщины 0,3 мкм;

5. Вскрывают контактные окна к базам и эмиттерам транзисторов.

6. Подлегируют контакты к резисторам и базе ионным легированием бора дозой D=300 мкКл с энергией E=30 кэВ.

7. Формируют эмиттер ионным легированием мышьяка дозой D=1000 мкКл с энергией E=30 кэВ.

8. Проводят термический отжиг радиационных дефектов при температуре Т=850°C в течение 30 минут.

9. Осаждают алюминий и проводят фотолитографию разводки - соединений элементов интегральной схемы.

10. Проводят вжигание алюминия при температуре Т=475°C в течение 15 минут.

Принцип действия

Как видно из фиг. 2б, в, при примерно равном размере транзистора в пикселе матрицы происходит локальная засветка малой площади рабочей поверхности. При этом малая часть первичного тока поступает через сопротивление в базовой цепи фототранзистора Rбф в общую шину питания, вторая, большая часть, поступает в эмиттерный p-n-переход, где усиливается примерно в 50-100 раз и поступает в разрядную шину соответствующего столбца матрицы, создавая падение напряжения Uбу на сопротивлении базовой цепи Rбу усилительного транзистора, который, работая в режиме эмиттерного повторителя, усиливает сигнал по мощности и практически повторяет по напряжению на выходную шину ВЫХ, уменьшая на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер усиливающего транзистора. Важно отметить, что строка усилительных транзисторов матрицы работает в режиме логического "ИЛИ", при этом на выходной шине ВЫХ может быть сигнал, поступающий только с одного столбца.

Технические преимущества изобретения

Поскольку луч лазера поступает в маленький по площади транзистор матрицы, обеспечивается более высокий уровень инжекции, чем в одном большом фототранзисторе, равном по площади матричному массиву, за счет чего повышается коэффициент усиления.

Очевидно, что и темновой ток, поступающий на выход только с одного столбца (определяет порог чувствительности прибора) для матрицы будет в число столбцов N раз меньше, чем для «большого» транзистора. При этом достигается прирост быстродействия за счет уменьшения времен перезарядки суммарных емкостей база-эмиттер и база-коллектор.

Следует отметить, что с целью упрощения имеется возможность исключения из конструкции матрицы общей шины (фиг. 3), в этом случае ФЭП содержит всего два вывода и является двухполюсником.

1. Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений, содержащая электрическую схему, состоящую из принимающего излучение фототранзистора и усиливающего транзистора, при этом коллекторы транзисторов подключены к шине питания, база фототранзистора через сопротивление фототранзистора в базовой цепи подключена к общей шине, эмиттер фототранзистора подсоединен к базе усиливающего транзистора, которая через сопротивление в базовой цепи усиливающего транзистора подсоединена к общей шине, его эмиттер подключен к выходной шине, которая через сопротивление нагрузки соединена с общей шиной, отличающаяся тем, что она содержит множество фототранзисторов, образующих 2-мерную прямоугольную матрицу столбцов из фототранзисторов, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, при этом эмиттеры фототранзисторов подключены к соответствующим разрядным шинам, которые соединены с базовыми областями строки усиливающих транзисторов соответствующими данными столбцами, при этом эмиттеры усиливающих транзисторов подсоединены к выходной шине.

2. Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений, содержащая конструкцию, состоящую из кремниевой полупроводниковой подложки n(p)-типа проводимости, на обратной поверхности которой расположен n+ (p+)-слой, на поверхности которого расположен электрод шины питания, на лицевой поверхности пластины расположены диэлектрик, контактные окна, выходная шина, фототранзистор и усиливающий транзистор, области p(n)-типа проводимости сопротивлений, отличающаяся тем, что на лицевой поверхности подложки расположено множество фототранзисторов, образующих столбцы 2-мерной матрицы, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, имеющих общую коллекторную область, в которой расположены базовые области p(n)-типа проводимости, при этом их площадь равна площади светового луча, в них соответственно расположены n+ (p+)-области эмиттеров, на которых размещены их электроды, подсоединенные к соответствующим разрядным шинам столбцов, соединенных с электродами соответствующих баз строки усиливающих транзисторов, на эмиттерах которых расположены эмиттерные электроды, подсоединенные к выходной шине.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области полупроводникового материаловедения, а именно – к технологии получения тонких фоточувствительных пленок селенида свинца, широко используемых в изделиях оптоэлектроники в ИК-диапазоне 1-5 мкм, лазерной и сенсорной технике.
Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам создания наногетероструктур для фотопреобразующих и светоизлучающих устройств. Способ изготовления наногетероструктуры со сверхрешеткой включает выращивание на подложке GaSb газофазной эпитаксией из металлоорганических соединений в потоке водорода сверхрешетки, состоящей из чередующихся слоев GaSb и InAs.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, в частности к способам изготовления структур фотоэлектрических приемных устройств (ФПУ), предназначенных для преобразования светового излучения определенного спектрального диапазона в электрический сигнал.
Изобретение относится к многоэлементным и матричным фотоприемникам (МФП) ИК-диапазона на основе теллурида кадмия-ртути, конкретно к технологии изготовления матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ).

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к созданию компактных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводниковых преобразователей.

Способ определения концентрации донорного фона в CdxHg1-xTe принадлежит к характеризации материалов и структур оптоэлектроники, точнее к твердым растворам CdxHg1-xTe – основному материалу для изготовления фотодиодов инфракрасного диапазона спектра.

Светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости содержит два светочувствительных пиксельных слоя. Причем различные светочувствительные пиксельные слои обнаруживают световые сигналы с различными цветами.

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии радиационных излучений в электрическую энергию и может быть также использовано в взрывоопасных помещениях - шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах и сенсорах, расположенных в труднодоступных местах и т.д.

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию и может быть использовано во взрывоопасных помещениях - шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах, сенсорах, расположенных в труднодоступных местах, и т.д.

Изобретение относится к области многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), применяемых для солнечных батарей и фотоприемников космического и иного назначения.

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии радиационных излучений в электрическую энергию и может быть также использовано в взрывоопасных помещениях - шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах и сенсорах, расположенных в труднодоступных местах и т.д.

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию и может быть использовано во взрывоопасных помещениях - шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах, сенсорах, расположенных в труднодоступных местах, и т.д.

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений, в частности к алмазным детекторам, способным работать в условиях повышенных температур, пониженных давлений, в агрессивных средах.

Изобретение может быть использовано в медицине, кристаллографии, ядерной физике и т.д. Гибридный пиксельный фотоприемник согласно изобретению содержит первую - кремниевую подложку, на верхней (нижней) поверхности которой расположена интегральная СБИС - микросхема, включающая матрицу пикселей с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности пикселей расположены контактные электроды и она содержит вторую полупроводниковую подложку n-(p-) типа проводимости, содержащую на своей верхней (нижней) поверхности сильно легированный n+(p+) слой с расположенным на нем металлическим общим катодным (анодным) электродом, а на ее нижней (верхней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов, которые через контактные электроды соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки, расположенной на нижней (верхней) поверхности второй подложки, при этом вторая подложка одного n-(p-) типа проводимости является общей - анодной (катодной) областью и она образует с полупроводниковыми контактными электродами p+(n+) типа проводимости, являющимися одновременно катодными (анодными) электродами, матрицу p-i-n-диодов.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию. Предложена конструкция планарного преобразователя ионизирующих излучений, содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину n (p) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная n+ (p+) область, на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная p+ (n+) область, образующая с полупроводниковой пластиной p-n-переход, на поверхности p+ (n+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом, при этом на верхней и нижней поверхностях слаболегированной полупроводниковой пластины n- (p-) типа проводимости расположены сильнолегированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные p+ (n+) области, образующие с пластиной p-n-переходы p-i-n-диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (n+) кольцевой областью, при этом верхняя горизонтальная p+ (n+) область образует со слоем изолирующего диэлектрика и электропроводящим электродом катода (анода) МОП структуру накопительного конденсатора, на верхней поверхности пластины также расположена n+ (p+) контактная область к пластине n- (p-) типа проводимости, на верхней и нижней поверхности горизонтальных p+ (n+) областей расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика, содержащие контактные окна соответственно к n+ (p+) контактной области и нижней горизонтальной p+ (n+) области, на поверхности верхнего и нижнего диэлектриков расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа - металла, образующие омические контакты соответственно с n+ (p+) контактной областью и нижней горизонтальной p+ (n+) областью, являющиеся электродами катода (анода) и анода (катода) соответственно p-i-n-диода.

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.

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 генерации электромагнитного излучения в субтерагерцовом и терагерцовом диапазонах частот. Генератор субтерагерцового и терагерцового излучения включает источник лазерного излучения, электрическую цепь с источниками напряжения и импедансной нагрузкой, и оптически активный элемент.

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.

Изобретения могут быть использованы для формирователя сигналов изображения в инфракрасной области спектра. Гетероструктурный диод с p-n-переходом содержит подложку на основе HgCdTe, главным образом n-легированную, причем упомянутая подложка содержит первую часть (4), имеющую первую концентрацию кадмия, вторую часть (11), имеющую вторую концентрацию кадмия больше, чем первая концентрация кадмия, причем вторая часть(11) образует гетероструктуру с первой частью (4), р+-легированную зону (9) или р-легированную зону, расположенную в концентрированной части (11) и продолжающуюся в первую часть (4) и образующую p-n-переход (10) с n-легированным участком первой части (4), называемым базовой подложкой (1), при этом концентрированная часть (11) расположена только в р+-легированной зоне (9) и образует карман (12) по существу с постоянной концентрацией кадмия. Изобретения предназначены для создания качественной гетероструктуры при низкой стоимости для облегчения регулировки относительного положения p-n-перехода по отношению к гетеропереходу и повышения воспроизводимости и повторяемости этого относительного положения от одной подложки к другой подложке и от одного диода к другому диоду на той же подложке. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх