Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника изображения



Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника изображения
Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника изображения
Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника изображения

 


Владельцы патента RU 2628738:

Общество с ограниченной ответственностью "ГрафИмпресс" (RU)

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к интегральным фотоэлектрическим преобразователям. Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника изображения содержит фотодиод, транзистор считывания заряда, накопленного фотодиодом, транзистор предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на фотодиоде, входной транзистор истокового повторителя, транзистор выборки строки и малошумящий делитель заряда, обеспечивающий выделение малой части заряда, накопленного фотодиодом за время релаксации, и ее передачу на затвор входного транзистора истокового повторителя с многократным повторением данной процедуры в течение времени кадра. Технический результат - увеличение отношения сигнал/шум и, соответственно, повышение чувствительности ячейки. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к интегральным фотоэлектрическим преобразователям.

Целью изобретения является повышение чувствительности фотоэлектрических преобразователей в приемниках изображения, в том числе приемниках, чувствительных к излучению в инфракрасной области спектра.

Известны ячейки полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, в которых в качестве фоточувствительного элемента используется фотодиод или МДП-конденсатор. (См., например, [1, 2]).

В таких элементах при обратном смещении фоточувствительного элемента под действием излучения генерируется фототок, интегрирование которого за время кадра обеспечивает накопление информационного заряда на поверхности полупроводника. Накопленный заряд может считываться сдвиговым регистром на ПЗС либо путем регистрации изменения поверхностного потенциала полупроводника КМОП-схемой.

Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению является ячейка фотоэлектрического преобразователя, описанная в патенте [3]. Приведенная в этом источнике ячейка фотоэлектрического преобразователя содержит фотодиод и четыре транзистора - транзистор считывания заряда, накопленного фотодиодом, транзистор предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на фотодиоде, входной транзистор истокового повторителя и транзистор выборки строки. Чувствительность такой ячейки ограничена шумом накопленных в фоточувствительном элементе носителей заряда Nac, среднеквадратичное значение которого определяется соотношением:

Максимальное значение и, соответственно, максимальное отношение сигнал/шум SNRmax фоточувствительной ячейки в составе приемника изображения ограничено емкостью входного транзистора истокового повторителя Cin, которая в свою очередь лимитируется площадью ячейки. Для достижения высокой разрешающей способности и увеличения числа пикселей необходимо уменьшать шаг их мультипликации и, соответственно, площадь ячеек, что сужает возможности создания мегапиксельных массивов с высокой чувствительностью. В многоэлементных ИК-фотоприемниках, работающих в условиях высокого фонового излучения, в силу больших значений фототока накопление заряда происходит за время, которое существенно (в сотни и более раз) меньше времени кадра. То есть возможности использования полного времени кадра для интегрирования заряда в такой ячейке и увеличения за счет этого ее чувствительности сильно ограничены.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание ячейки, обеспечивающей при накоплении заряда существенное увеличение отношения сигнал/шум и, соответственно, ее чувствительности.

Указанный результат достигается за счет того, что в известную ячейку, содержащую фотодиод и четыре транзистора, вводится малошумящий делитель заряда, обеспечивающий выделение малой части заряда, накопленного фотодиодом за время релаксации, и ее передачу на затвор входного транзистора истокового повторителя с многократным повторением данной процедуры в течение времени кадра.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.

Фиг. 1 иллюстрирует известную ячейку фотоэлектрического преобразователя (прототип), содержащую фотодиод PD, транзистор Т1 считывания заряда, накопленного фотодиодом, транзистор Т2 предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на фотодиоде, входной транзистор Т3 истокового повторителя и транзистор Т4 выборки строки.

На фиг. 2 показана предлагаемая ячейка с малошумящим делителем заряда, встроенным в разрыв цепи между затвором транзистора Т3 истокового повторителя и точкой соединения (р-n переходом) транзистора считывания Т1 и транзистора предустановки Т2.

На фиг. 3 представлена ячейка с малошумящим делителем заряда в виде 4-х полевых электродов SG, TGI, DG, TG2 с зарядовой связью между смежными электродами, при этом площадь SSG электрода SG много больше площади SDG электрода DG:

где CDG и CSG их емкости, и они электрически соединены с шиной питания VDD. Электроды TG1 и TG2 формируются с минимально возможной при заданных технологических ограничениях площадью STG, но при этом должно выполняться условие где dins - толщина подзатворного диэлектрика. При реализации ячейки с технологическими нормами 0,35 мкм dins~10 нм и данное условие заведомо выполняется. Электрод TG1 соединен с затвором транзистора Т1, а электрод TG2 - с затвором транзистора Т2.

В качестве накопительной емкости Сас в предлагаемой ячейке выступает сумма емкостей значение которой выбирается равной емкости входного транзистора истокового повторителя Cin:

На фиг. 4 представлена ячейка с малошумящим делителем заряда в виде двух последовательно соединенных транзисторов Т5 и Т6 с затворами TG1 и TG2, при этом площадь SST диода ST, выполняющего функцию истока транзистора Т5, много больше площади SDT диода DT, совмещающего функции стока транзистора Т5 и истока транзистора Т6, то есть аналогично выражению (2):

На фиг. 5 приведена диаграмма импульсов, обеспечивающая функционирование ячеек, представленных на фиг. 3, 4.

Ячейка на фиг. 3 функционирует следующим образом.

1. В начале кадра в момент времени τ1 затворы транзисторов Т1 и Т2 и, соответственно, электроды TG1 и TG2 открыты, транзистор Т4 выборки строки - закрыт. Ячейка приходит в исходное состояние, при котором происходит обратное смещение фотодиода PD и приповерхностных областей полупроводниковой подложки под электродами SG, DG, а также перевод затвора транзистора Т3 и связанного и ним р-n перехода в плавающее состояние.

2. Затвор транзистора Т2 и электрод TG2 закрываются, при этом транзистор Т1 и электрод TG1 остаются открытыми. Происходит накопление фотоносителей под затворами SG и DG. По истечении времени накопления τас фотодиода PD (τас<<τƒ), где τƒ - время кадра, затвор транзистора Т1 и электрод TG1 закрываются. Малая часть накопленного заряда остается под электродом DG.

3. Открываются транзистор Т2 и электрод TG2. Большая часть заряда, оставшегося под электродом SG, сливается во внешнюю цепь, а малая часть заряда из-под электрода DG стекает за время τор<<τас в обратно смещенный р-n переход, связанный с затвором транзистора Т3, несколько снижая его потенциал.

4. Циклы деления и считывания заряда, описанные в пунктах 2 и 3, повторяются n раз, после чего открывается затвор транзистора Т4 и производится считывание накопленного заряда на столбцовую шину. После закрытия затвора транзистора Т4 начинается следующий кадр. Количество n циклов деления и считывания заряда ограничено накопительной способностью (емкостью Cin) входного транзистора истокового повторителя. С учетом (3) максимальное количество циклов nmax равно:

При величине емкости Cin, такой, что, количество циклов

можно повторять вплоть до значения

Аналогичным образом функционирует ячейка, представленная на фиг. 4.

1. В начале кадра в момент времени τ1 затворы транзисторов Т1 и Т2 и, соответственно, электроды TG1 и TG2 открыты, транзистор Т4 выборки строки закрыт. Ячейка приходит в исходное состояние, при котором происходит обратное смещение фотодиода PD и диодов ST и DT, а также перевод затвора транзистора Т3 и связанного и ним р-n перехода в плавающее состояние.

2. Затвор транзистора Т2 и электрод TG2 закрываются, при этом транзистор Т1 и электрод TG1 остаются открытыми. Происходит накопление фотоносителей в области пространственного заряда (ОПЗ) диодов ST и DT. По истечении времени накопления τас фотодиода PD (τас<<τƒ), где τƒ - время кадра, затвор транзистора Т1 и электрод TG1 закрываются. Малая часть накопленного заряда остается в ОПЗ диода DT.

3. Открываются транзистор Т2 и электрод TG2. Большая часть заряда, оставшегося в ОПЗ диода ST, сливается во внешнюю цепь, а малая часть заряда из ОПЗ диода DT стекает за время τор<<τас в обратно смещенный р-n переход, связанный с затвором транзистора Т3, несколько снижая его потенциал.

4. Циклы деления и считывания заряда, описанные в пунктах 2 и 3, повторяются n раз, после чего открывается затвор транзистора Т4 и производится считывание накопленного заряда на столбцовую шину. После закрытия затвора транзистора Т4 начинается следующий кадр. Так же как и для ячейки на рис. 3 количество n циклов деления и считывания заряда ограничено накопительной способностью (емкостью Cin) входного транзистора истокового повторителя. При этом аналогично (4) максимальное количество циклов nmax равно:

При величине емкости Cin, такой, что количество циклов можно повторять вплоть до значения

Существенное достоинство представленных на фиг. 3,4 ячеек состоит в том, они не требуют дополнительных шин разводки.

Заявляемая ячейка предназначена для использования в качестве высокочувствительного приемника излучения высокой интенсивности I, такой, что количество фотоносителей, которые можно накопить за время кадра τƒ при квантовом выходе у, намного превосходит предельное значение ограниченное емкостью Cin входного затвора истокового повторителя:

где SPD - площадь сбора фотоносителей, которая в современных гибридных ИК фотоприемниках на КРТ сравнима с площадью Sc всей ячейки.

Соответственно, максимальное отношение сигнал/шум определяется соотношением:

Так, в приемниках диапазона 8-14 мкм γI~1018 см-2с-1, что при τƒ~10-2 c и

Sc~10-5 см-2 дает γIScƒ11, тогда как , соответственно Klim~3⋅103. При малошумящем делении заряда, реализуемом в заявляемой ячейке, отношение сигнал/шум можно существенно повысить вплоть до предельной величины Малошумящий делитель заряда осуществляет выделение малой части Ns из носителей заряда Nac, которые образуются под действием излучения в фотодиоде PD в течение времени накопления τас, передачу указанной малой части в интегрирующий узел ячейки и сброс оставшейся большей части заряда во внешнюю цепь. В условиях, при которых время накопления фотодиода существенно меньше времени кадра приемника изображения τас<<τƒ, указанная процедура повторяется n раз в течение времени кадра.

За одну операцию деления на затвор входного транзистора Т3 добавляется в среднем, Ns=∈Nac носителей, а средний квадрат флуктуации этого числа равен

Здесь Т - температура, k - константа Больцмана, а V - падение напряжения на диэлектрике (ОПЗ) при накоплении на нем заряда.

Слагаемое в правой части формулы (8) - это средний квадрат флуктуации числа частиц на поверхности полупроводника под затвором DG (в ОПЗ диода DT), то есть шум геометрического деления заряда. С ростом накопленного заряда (с ростом V) этот шум не растет выше порога, отвечающего отклонению поверхностного потенциала на величину kT/е (при eV>>kT отношение Ns/eV не зависит от плотности накопленного заряда), поскольку при высокой плотности заряда (при eV>>kT) кулоновское отталкивание носителей становится сильным и препятствует росту их флуктуации. По этой причине при геометрическом делении заряда между двумя емкостями флуктуация числа свободных заряженных носителей в одной из емкостей оказывается значительно меньше (в раз) корня из числа носителей – величины, характерной для флуктуаций числа невзаимодействующих частиц, что и обеспечивает малошумящее деление заряда.

После n циклов на затворе входного транзистора истокового повторителя накопится в среднем Nac=nNs носителей. Средний квадрат флуктуации этого числа равен:

Отсюда вытекает следующее выражение для отношения сигнал/шум:

Для максимального отношения сигнал/шум с учетом eV>>kT, и n∈=1, выражение (10) преобразуется к виду:

В традиционных схемах построения мультиплексоров с одной интегрирующей емкостью в ячейке (емкостью входного транзистора истокового повторителя) величина интегрирующей емкости ограничена размерами ячейки. С учетом того, что кроме входного транзистора в каждой ячейке размещается еще три транзистора и шины разводки, интегрирующая емкость занимает не более 30-40% ее площади. В предлагаемой ячейке встраивание делителя, в котором необходимо разместить еще одну зарядовую емкость (электрод PG или диод РТ), уменьшает ее интегрирующую способность по крайне мере в два раза. То есть в формулу (11) нужно добавить коэффициент

Для многоэлементных ИК-фотоприемников на основе соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ) и антимонида индия, работающих при температуре жидкого азота (~77К), параметр при V = 3,3 В равен ~0,002. Подставив это значение в формулу (12), получим:

При проектировании ячейки площадью 30×30 мкм2 с технологическими нормами 0,35 мкм можно реализовать ∈~0,005, то есть довести количество циклов деления n до 200 раз, и таким образом улучшить отношение сигнал/шум и, соответственно, чувствительность по сравнению с прототипом до 8 раз. Переход на проектирование с нормами 0,18 мкм обеспечит еще большее повышение чувствительности.

Источники информации

1. Eric R. Fossum, CMOS Image Sensors: Electronic Camera-On-A-Chip, IEEE transactions on electron devices, vol. 44, no. 10, 1997.

2. А. Стемпковский, В. Шилин, КМОП-фотодиодные СБИС, Электроника: Наука, Технология, Бизнес 2/2003.

3. Патент США №US 5,625,210.

1. Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника, содержащая фотодиод, транзистор считывания заряда, накопленного фотодиодом, транзистор предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на фотодиоде, входной транзистор истокового повторителя и транзистор выборки строки, отличающаяся тем, что с целью повышения чувствительности в ячейку введен малошумящий делитель заряда, обеспечивающий выделение малой части заряда, накопленного фотодиодом за время релаксации, и ее передачу на затвор входного транзистора истокового повторителя с многократным повторением данной процедуры в течение времени кадра.

2. Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника по п. 1, отличающаяся тем, что малошумящий делитель заряда выполнен в виде 4-х полевых электродов с зарядовой связью между смежными электродами.

3. Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника по п. 1, отличающаяся тем, что малошумящий делитель заряда выполнен в виде двух последовательно соединенных МДП-транзисторов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к матричным фотоприемным устройствам (ФПУ) на основе фотодиодов (ФД), изготовленных по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах III-V групп InGaAs/AlInAs/InP, преобразующих излучение в коротковолновой инфракрасной области спектра (0,9-1,7 мкм).

Изобретение относится к области микроэлектроники и касается пассивного беспроводного датчика ультрафиолетового излучения. Датчик включает в себя пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой в одном акустическом канале находятся приемо-передающий однонаправленный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и два отражательных ВШП.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, предназначенным для детектирования и испускания инфракрасного (ИК) излучения при комнатной температуре и может быть использовано, например, в устройствах, измеряющих характеристики сред, содержащих газообразные углеводороды, и в волоконно-оптических датчиках, измеряющих состав жидкости по методу исчезающей волны, для которых указанная полоса совпадает с максимумом фундаментального поглощения измеряемого компонента, например спирта или нефтепродуктов.

Изобретение относится к инфракрасной технике и технологии изготовления устройств инфракрасной техники, конкретно к фотоприемным устройствам ИК-диапазона длин волн и к технологии их изготовления.

Группа изобретений относится к нанооптоэлектронике. В фоточувствительной структуре, представляющей собой чувствительную к терагерцовому излучению при температуре эффективного фототока многослойную полупроводниковую гетероструктуру с квантовой ямой, выполненной в виде слоя узкозонного твердого раствора, содержащего Hg и Te и заключенного между барьерными слоями широкозонного трехкомпонентного твердого раствора CdyHg1-yTe, где у составляет величину в предпочтительном интервале от 65% до 72%, узкозонный слой квантовой ямы сформирован из трехкомпонентного твердого раствора Hg1-xCdxTe с содержанием Cd, определяемым величиной x в интервале от 4% до 12%, причем ширина квантовой ямы выбрана для заданного терагерцового поддиапазона частот принимаемого излучения при температуре 4,2K или 77K в зависимости от содержания Cd в соответствии с таблицей 1, представленной в описании изобретения.

Изобретения могут быть использованы в устройствах для формирования изображения, определения координат исследуемых объектов, оптической пеленгации, автоматического управления, контроля и измерения параметров излучения, экологического мониторинга, медицинской диагностики и неразрушающего контроля.

Изобретение относится к фотоэлектронике и может использоваться в пороговых фотоприемных устройствах для регистрации коротких импульсов электромагнитного излучения оптического и инфракрасного (ИК) диапазона.

Изобретение относится к инфракрасной технике и технологии изготовления устройств инфракрасной техники. .

Изобретение относится к устройству фотоэлектрического преобразования и к системе формирования изображений. Устройство фотоэлектрического преобразования согласно изобретению включает в себя пиксел, который включает в себя блок фотоэлектрического преобразования, транзистор сброса и усилительный транзистор, который выводит сигнал из блока фотоэлектрического преобразования.

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

В устройстве фотоэлектрического преобразования, содержащем множество блоков фотоэлектрического преобразования, каждый из которых имеет множество элементов фотоэлектрического преобразования, на которые падает свет, сконцентрированный посредством одной микролинзы, каждый из множества элементов фотоэлектрического преобразования включает в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости для сбора сигнального заряда, высота потенциального барьера относительно сигнального заряда, по меньшей мере, участка области между первыми полупроводниковыми областями элементов фотоэлектрического преобразования, размещенных рядом друг с другом и включенных в один блок фотоэлектрического преобразования, ниже, чем высота потенциального барьера, расположенного между первыми полупроводниковыми областями элементов фотоэлектрического преобразования, размещенных рядом друг с другом, и каждый из которых включен в разные блоки фотоэлектрического преобразования, размещенные рядом друг с другом, и каждая микролинза расположена с наложением на множество первых полупроводниковых областей, содержащихся в одном пикселе, относительно вида сверху блока фотоэлектрического преобразования и концентрирует свет на множестве первых полупроводниковых областей.

Устройство фотоэлектрического преобразования имеет светопринимающие элементы, расположенные на плоскости формирования изображения. Светопринимающий элемент включает в себя множество участков фотоэлектрического преобразования, выстроенных в первом направлении, параллельном плоскости формирования изображения, через изоляционный участок, и световодный участок, простирающийся по множеству участков фотоэлектрического преобразования.

Изобретение относится к устройству фотоэлектрического преобразования и системе регистрации изображения. Устройство фотоэлектрического преобразования включает в себя фотоэлектрический преобразователь, транзистор, на затвор которого подается напряжение, соответствующее зарядам, генерируемым фотоэлектрическим преобразователем, линию управления, подключенную к первому главному электроду транзистора, и блок считывания, выполненный с возможностью считывания сигнала, соответствующего напряжению затвора, и регулятор напряжения, выполненный с возможностью изменения напряжения линии управления.

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 твердотельному датчику изображения и системе восприятия изображения. Датчик содержит блок восприятия изображения, включающий в себя блоки пикселов, и блок считывания для считывания сигнала из блока восприятия изображения.

Твердотельное устройство формирования изображений согласно настоящему варианту осуществления включает в себя второй датчик изображений, имеющий органическую пленку фотоэлектрического преобразования, пропускающую конкретный свет, и первый датчик изображений, который уложен в слои на той же полупроводниковой подложке, что и подложка второго датчика изображений, и который принимает конкретный свет, пропущенный вторым датчиком изображений, в котором пиксель для обнаружения фокуса обеспечивается во втором датчике изображений или первом датчике изображений.

Использование: для определения положения объекта с помощью источника модулированного оптического сигнала. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит источник модулированного оптического сигнала, фотодетектор, оптически связанный с ним через устройство формирования сигнала, имеющий, по меньшей мере, первую и вторую базовые области, изолированные друг от друга и от подложки, по меньшей мере, первый набор встречно включенных дискретных диодов, сформированных в первой и второй базовых областях вдоль внутреннего края каждой базовой области у линии их раздела, по меньшей мере, первую делительную шину, сигнальную шину, по меньшей мере, первый и второй источники питания, а также преобразователь ток-напряжение, фильтр высоких частот, синхронный детектор, интегратор, генератор и регистрирующее устройство, положительный выход первого источника питания соединен с отрицательным выходом второго источника питания, образуя первый общий контакт, другими выходами первый и второй источники питания соединены с первой делительной шиной, вход преобразователя ток-напряжение соединен с сигнальной шиной, выход преобразователя ток-напряжение соединен с входом фильтра высоких частот, выход фильтра высоких частот соединен с первым входом синхронного детектора, выход синхронного детектора соединен с входом интегратора, выход интегратора соединен с общим контактом первого и второго источников питания и регистрирующим устройством, выход генератора соединен со вторым входом синхронного детектора и источником модулированного оптического сигнала, дополнительно введены третья базовая область, второй набор встречно включенных дискретных диодов, сформированных во второй и третьей базовых областях вдоль линии их раздела, вторая делительная шина, созданная вдоль внешнего края второй базовой области, третий и четвертый источники питания, сигнальная шина сформирована посередине третьей базовой области, положительный выход третьего источника соединен с отрицательным выходом четвертого источника, образуя второй общий контакт, другими выходами третий и четвертый источники питания соединены со второй делительной шиной, а выход интегратора соединен с первым и вторым общими контактами и регистрирующим устройством.

Твердотельное устройство формирования изображения содержит первую полупроводниковую область первого типа проводимости, обеспеченную на подложке методом эпитаксиального выращивания, вторую полупроводниковую область первого типа проводимости, обеспеченную на первой полупроводниковой области, и третью полупроводниковую область второго типа проводимости, обеспеченную во второй полупроводниковой области так, чтобы образовать p-n-переход со второй полупроводниковой областью, причем первая полупроводниковая область сформирована так, что концентрация примеси уменьшается от стороны подложки к стороне третьей полупроводниковой области, и распределение концентрации примеси во второй полупроводниковой области формируется методом ионной имплантации.
Наверх