RU2363969C1

RU2363969C1 - Photo-receiving cell with vertical colour separation

Info

Publication number: RU2363969C1
Application number: RU2007148120/28A
Authority: RU
Inventors: Игорь Валерьевич Ванюшин (RU); Игорь Валерьевич Ванюшин; Владимир Александрович Зимогляд (RU); Владимир Александрович Зимогляд; Юрий Иванович Тишин (RU); Юрий Иванович Тишин; Андрей Владимирович Лепендин (RU); Андрей Владимирович Лепендин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью ООО "Юник Ай Сиз"
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-08-10

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to computer vision and can be used in video cameras and HR cameras. In compliance with the invention, photo receiving cell comprises readout circuit, red, green and blue component detectors, made up of solid-state 1^st-type conductance horizontal areas located in illumination zone on the 1^st, 2^nd and 3^rd depths, relative to the structure surface, optimised with respect to maximum absorption of red, green and blue components of radiation, are connected via p-n-transitions by the areas of the 1^st and/or 2^nd conductance type. Note here that impurity concentration distribution allows introducing additional 2^nd-type conductance areas to be located outside irradiated areas adjoining aforesaid 2^nd-type conductance areas.

EFFECT: increased or balanced out dynamic range of detectors, reduced cell sizes.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в видеокамерах и фотоаппаратах высокого разрешения.The invention relates to techniques for machine vision and can be used in video cameras and high-resolution cameras.

Известна фотоприемная ячейка с вертикальным разделением цветов и накоплением зарядов, генерированных в ячейке, описанная в US Patent 7,132,724 B1, Nov.7, 2006, R.B.Merrill, "Complete-Charge-Transfer Vertical Color Detector", и принятая за прототип.Known photodetector cell with vertical color separation and the accumulation of charges generated in the cell, described in US Patent 7,132,724 B1, Nov.7, 2006, R.B. Merrill, "Complete-Charge-Transfer Vertical Color Detector", and adopted for the prototype.

В патенте описывается устройство фотоприемной ячейки, содержащей схему считывания, детекторы голубой, зеленой и красной составляющих принимаемого излучения, выполненные в полупроводниковой структуре, имеющие горизонтальные области первого типа проводимости, расположенные на первой, второй и третьей глубинах по отношению к поверхности структуры, соответственно оптимизированных по максимальному поглощению голубой, зеленой и красной составляющих излучения, соединенные через p-n переходы областями первого и/или второго, противоположного первому, типа проводимости с приповерхностными областями второго типа проводимости, окруженные областями первого типа проводимости с распределением концентрации примеси, создающим потенциальный барьер для распространения в них неосновных носителей тока.The patent describes a photodetector cell containing a readout circuit, detectors of the blue, green, and red components of the received radiation, made in a semiconductor structure, having horizontal regions of the first type of conductivity, located at the first, second, and third depths with respect to the surface of the structure, respectively optimized by the maximum absorption of the blue, green and red components of the radiation, connected through pn junctions by regions of the first and / or second, opposite a first conduction-type surface region of the second conductivity type surrounded by regions of the first conductivity type with the distribution of impurity concentration creates a potential barrier to the propagation therein of minority carriers.

Однако указанное устройство имеет недостаток: накопительные емкости и, следовательно, динамический диапазон детекторов либо очень малы, если p-n переходы расположены у поверхности, либо зависят от глубины, т.е. от цвета, в случае глубинных p-n переходов.However, this device has a drawback: storage capacities and, therefore, the dynamic range of the detectors are either very small if the p-n junctions are located near the surface or depend on the depth, i.e. from color, in the case of deep p-n junctions.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение и/или выравнивание динамического диапазона детекторов.The technical result of the present invention is to increase and / or equalize the dynamic range of the detectors.

Дополнительным результатом настоящего изобретения является уменьшение площади ячейки.An additional result of the present invention is to reduce the area of the cell.

Указанные результаты достигаются за счет того, что в известном устройстве фотоприемной ячейки, содержащем схему считывания, детекторы голубой, зеленой и красной составляющих принимаемого излучения, выполненные в полупроводниковой структуре, имеющие горизонтальные области первого типа проводимости, расположенные в зоне освещения на первой, второй и третьей глубинах по отношению к поверхности структуры, соответственно оптимизированных по максимальному поглощению голубой, зеленой и красной составляющих излучения, соединенные через p-n переходы областями первого и/или второго, противоположного первому, типа проводимости с приповерхностными областями второго типа проводимости, окруженные областями первого типа проводимости с распределением концентрации примеси, создающим потенциальный барьер для распространения в них неосновных носителей тока, предложено:These results are achieved due to the fact that in the known device of the photodetector cell containing the reading circuit, detectors of the blue, green and red components of the received radiation, made in a semiconductor structure, having horizontal regions of the first type of conductivity located in the lighting zone on the first, second and third depths relative to the surface of the structure, respectively optimized for the maximum absorption of the blue, green, and red radiation components, connected via pn transitions by regions of the first and / or second, opposite to the first, type of conductivity with surface regions of the second type of conductivity, surrounded by regions of the first type of conductivity with an impurity concentration distribution that creates a potential barrier to the propagation of minority current carriers in them, it is proposed:

- ввести дополнительные области второго типа проводимости, расположенные вне облучаемых областей, примыкающие на любой из глубин к указанным областям второго типа проводимости.- introduce additional areas of the second type of conductivity located outside the irradiated areas adjacent to any of the depths to the indicated areas of the second type of conductivity.

Дополнительно предложено:Additionally proposed:

- области второго типа проводимости вместе с дополнительными областями выполнить по технологическим возможностям узкими, глубокими и охватывающими зону освещения с зазорами, обеспечивающими их изоляцию друг от друга и от других областей второго типа проводимости.- areas of the second type of conductivity together with additional areas according to technological capabilities to perform narrow, deep and covering the lighting area with gaps that ensure their isolation from each other and from other areas of the second type of conductivity.

Увеличение динамического диапазона достигается благодаря увеличению накопительных емкостей р-n переходов за счет присоединения к областям второго типа проводимости, являющихся соединительными, дополнительных областей второго типа проводимости на любой из технологически доступных глубин, увеличивающих площади р-n переходов, и, следовательно, их емкости, без увеличения площади ячейки.The increase in the dynamic range is achieved by increasing the storage capacitance of pn junctions due to the connection to the areas of the second type of conductivity, which are connecting, additional areas of the second type of conductivity at any of the technologically accessible depths that increase the area of pn junctions, and therefore their capacities, without increasing the area of the cell.

Уменьшение площади ячейки достигается за счет размещения накопительных конденсаторов на р-n переходах в узких вертикальных областях, охватывающих зону освещения с минимальными зазорами.The reduction of the cell area is achieved by placing storage capacitors at pn junctions in narrow vertical areas covering the lighting zone with minimal gaps.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение:The list of graphic materials illustrating a device that implements the claimed invention:

Фиг. 1 иллюстрирует известное устройство (прототип).FIG. 1 illustrates a known device (prototype).

Фиг. 2 иллюстрирует предлагаемое устройство по п.1.FIG. 2 illustrates the proposed device according to claim 1.

Фиг. 3 иллюстрирует предлагаемое устройство по п.2.FIG. 3 illustrates the proposed device according to claim 2.

Фотоприемная ячейка с вертикальным разделением цветов и накоплением зарядов, генерируемых в ячейке, состоит (см. фиг.2) из схемы считывания (1), детекторов голубой, зеленой и красной составляющих принимаемого излучения, выполненных в полупроводниковой структуре, имеющих горизонтальные области (2, 3, 4) первого типа проводимости (р-тип), расположенные в зоне освещения соответственно на первой, второй и третьей глубинах по отношению к поверхности структуры, соответственно оптимизированных по максимальному поглощению голубой, зеленой и красной составляющих излучения, соединенные через р-n переходы (5, 6, 7) областями (8, 9, 10) второго, противоположного первому, типа проводимости (n-тип) с приповерхностными областями (11, 12, 13) второго типа проводимости, подключенными к схеме считывания, окруженные областями (14, 15, 16) первого типа проводимости с распределением концентрации примеси, создающим потенциальный барьер для распространения в них неосновных носителей тока, а к областям (8, 9, 10) второго типа проводимости примыкают на любой из глубин дополнительные области (17, 18, 19) второго типа проводимости, расположенные вне облучаемых областей (20).A photodetector cell with vertical color separation and the accumulation of charges generated in the cell (see Fig. 2) consists of a readout circuit (1), detectors of the blue, green, and red components of the received radiation made in a semiconductor structure having horizontal regions (2, 3, 4) of the first type of conductivity (p-type) located in the lighting zone, respectively, at the first, second and third depths relative to the surface of the structure, respectively optimized for the maximum absorption of blue, green and red radiation components connected through pn junctions (5, 6, 7) by regions (8, 9, 10) of the second, opposite to the first, type of conductivity (n-type) with surface regions (11, 12, 13) of the second type of conductivity, connected to the readout circuit, surrounded by regions (14, 15, 16) of the first type of conductivity with an impurity concentration distribution that creates a potential barrier for the propagation of minority current carriers in them, and adjacent to regions (8, 9, 10) of the second type of conductivity depths additional areas (17, 18, 19) of the second type are carried out STI located outside the irradiated region (20).

Ячейка работает следующим образом:The cell works as follows:

Излучение, проникая в вертикальную структуру в соответствии с коэффициентом поглощения его спектральных составляющих, создает в ней неосновные носители тока. Голубая составляющая поглощается в верхней части структуры, зеленая - в середине, а красная - в нижней. Неосновные носители - электроны, созданные излучением в р-областях (2, 3, 4), будучи зажатыми окружающим их потенциальным барьером р-областей (14, 15, 16), распространяются, благодаря дрейфу и диффузии, к соответствующим р-n переходам (5, 6, 7), втягиваются полем р-n переходов в n-области: (17, 8, 11) - голубые, (18, 9, 12) - зеленые, (19, 10, 13) - красные, где изменяют за время накопления их заряды и соответственно напряжения. Эти изменения напряжений затем считываются схемой считывания (1).Radiation, penetrating the vertical structure in accordance with the absorption coefficient of its spectral components, creates minority current carriers in it. The blue component is absorbed in the upper part of the structure, green in the middle, and red in the lower. Minor carriers - electrons created by radiation in the p-regions (2, 3, 4), being clamped by the potential barrier of the p-regions surrounding them (14, 15, 16), propagate, due to drift and diffusion, to the corresponding p-n junctions ( 5, 6, 7), are drawn in by the field of pn junctions in the n-region: (17, 8, 11) - blue, (18, 9, 12) - green, (19, 10, 13) - red, where they change during the accumulation of their charges and, accordingly, voltage. These voltage changes are then read by the readout circuit (1).

Дополнительные области (17, 18, 19), введенные согласно изобретению, увеличивают линейный диапазон изменений напряжений (динамический диапазон) и выравнивают их значения.Additional areas (17, 18, 19) introduced according to the invention increase the linear range of voltage changes (dynamic range) and equalize their values.

За счет вертикального расположения конденсаторов на р-n переходах уменьшается площадь ячейки.Due to the vertical arrangement of capacitors at pn junctions, the area of the cell decreases.

Настоящее описание изобретения, в т.ч. состава и работы устройства, включая предлагаемый вариант его исполнения, предполагает его дальнейшее возможное совершенствование специалистами, и не содержит каких-либо ограничений в части реализации. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.The present description of the invention, including the composition and operation of the device, including the proposed version of its execution, involves its further possible improvement by specialists, and does not contain any restrictions in terms of implementation. All claims are formulated solely in the claims.

Claims

1. A photodetector cell with a vertical color separation, containing a readout circuit, detectors of the blue, green, and red components of the received radiation, made in a semiconductor structure, having horizontal regions of the first conductivity type, located in the illumination zone at the first, second, and third depths with respect to the surface structures, respectively, optimized for the maximum absorption of the blue, green, and red radiation components, connected via pn junctions by regions of the first and / or second opposite to the first, type of conductivity with surface regions of the second type of conductivity connected to the readout circuit, surrounded by regions of the first type of conductivity with an impurity concentration distribution that creates a potential barrier for the propagation of minority current carriers in them, characterized in that they are adjacent to the areas of the second type of conductivity at any depth, additional areas of the second type of conductivity located outside the irradiated areas.

2. A photodetector cell with a vertical color separation according to claim 1, characterized in that the areas of the second type of conductivity together with additional areas are made technological narrow, deep and covering the lighting zone with gaps that ensure their isolation from each other and from other areas of the second type of conductivity.