RU2439747C1

RU2439747C1 - Photodector

Info

Publication number: RU2439747C1
Application number: RU2010141959/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Владимирович Уздовский (RU); Валерий Владимирович Уздовский; Владимир Иванович Хайновский (RU); Владимир Иванович Хайновский; Елена Александровна Денисова (RU); Елена Александровна Денисова; Надежда Владимировна Игнатьева (RU); Надежда Владимировна Игнатьева
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2012-01-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: photodetector has five vertically-integrated layers with opposite conductivity type, each connected to three MOS transistors arranged such that, in the photodetector, the photosensitive surface layer with n⁺ conductivity type lies 0.2 mcm from the surface of the substrate and is in direct contact with the middle layer with p conductivity type, which lies inside the substrate at a depth of 0.2-0.7 mcm, which is in direct contact with the middle layer with n conductivity type, lying at a distance of 0.7-1.2 mcm, and is in direct contact with a deep layer with p conductivity type, lying at a distance of 1.2-1.7 mcm, in direct contact with a deep layer with n conductivity type, lying at a distance of 1.7-2.5 mcm, which is in direct contact with a semiconductor substrate with p conductivity type.

EFFECT: high selectivity of decomposing white light into spectral wavelength ranges for detecting blue, green and red spectral ranges of visible radiation and broader functionalities owing to selective detection of five spectral ranges of visible radiation.

6 dwg

Description

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.The invention relates to the field of electronics and measurement technology and is intended for recording radiation in various spectral ranges of the visible radiation spectrum in photoelectric spectral-selective image converters.

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.Known devices for recording visible radiation in various spectral ranges based on interference filters, which use the spaced apart areas of the photosensitive structure to register various spectral ranges, equipped with additional filters to absorb a certain spectral range of visible radiation: blue, green or red ranges [1, 2]. However, these devices have a complex structure and manufacturing technology, require additional space for recording each spectral range of visible radiation.

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.Free of charge are photodetector devices based on charge-coupled devices with photosensitive channels placed at various distances in the depth of the semiconductor substrate [3-4]. Devices of this type use the spectral dependence of the absorption coefficient of optical radiation for a different spectral range of visible radiation from the depth of radiation penetration into the silicon substrate material. However, the operation of devices of this type is based on the transfer of charge packets through the entire silicon structure for discharge into the register, which leads to a decrease in the transfer efficiency.

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.The photodetector, which is the closest analogue, contains three vertically integrated layers with the opposite type of conductivity, each of which is connected to three MOS transistors, which alternately read the signal from each layer of the opposite type of conductivity into the same column bus [ 5]. However, this device has a sufficiently blurred spectral range for recording the blue, green and red ranges of visible radiation, in addition, this device can register only three spectral ranges of visible radiation.

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.The objective of the proposed photodetector device is to increase the selectivity of the decomposition of white in the spectral ranges of wavelengths for recording the blue, green and red spectral ranges of visible radiation and to expand functionality by selectively registering five spectral ranges of visible radiation.

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.The problem is achieved in that the proposed photodetector contains five vertically integrated layers with the opposite type of conductivity, each of which is connected to three MOS transistors, characterized in that it contains two additional vertically-integrated semiconductor layers of the opposite type of conductivity, each of which is connected to three additional MOS transistors.

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.The photodetector may contain five vertically integrated layers of the opposite type of conductivity, and the near-surface photosensitive layer of n-type conductivity from the surface of the substrate is up to 0.2 μm and has an n ⁺ -type of conductivity; it is in direct contact with the p-type middle layer, located in the depth of the substrate from 0.2 μm to 0.7 μm; this layer is in direct contact with the middle p-type conductivity layer, located from 0.7 μm to 1.2 μm, and it is in direct contact with the deep n-type conductivity layer, located from 1.2 μm to 1.7 μm, and it is in direct contact with a deep layer of n-type conductivity located from 1.7 μm to 2.5 μm, which is in direct contact with a semiconductor substrate of p-type conductivity.

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.The photodetector has the following concentrations of dopants: a deep n-type conductivity layer has a donor concentration of 1 · 10 ¹⁶ cm ^-3 ; a deep p-type layer above it has an acceptor concentration of 1 · 10 ¹⁷ cm ^-3 ; the middle layer of n-type conductivity has a donor concentration of 1 · 10 ¹⁸ cm ^-3 ; the middle p-type layer above it has an acceptor concentration of 1 · 10 ¹⁷ cm ^-3 and the near-surface n-type layer has a donor concentration of 1 · 10 ¹⁹ cm ^-3 ; in the p-substrate, the acceptor concentration is 1 · 10 ¹⁵ cm ^-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].Thus, in the structure under consideration there are five pn junctions that are remote from the upper surface of the silicon substrate to depths of 0.2 μm, 0.7 μm, 1.2 μm, 1.7 μm, and 2.5 μm. When illuminating the cell structure from above with optical radiation, the indicated depths of pn junctions from the surface of the substrate provide separation of the resulting photocarriers corresponding to different wavelength ranges of optical radiation. This is a consequence of the dependence of the absorption coefficient of optical radiation in silicon on the wavelength [Dash W.C. and Newman R. Intrinsic Optical Absorption in Single-Crystal Germanium and Silicon at 77K and 300K. // Physical Rewiew, vol. 99, No. 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.In order to increase the selectivity of the decomposition of “white” light into spectral ranges of wavelengths, it is possible to use the construction of a photocell including five vertically connected regions of the opposite type of conductivity. There are five p-n junctions with the location of their metallurgical boundaries from the surface at distances (μm): 0.2; 0.7; 1,2; 1.7; 2.5. Therefore, the vertical structure contains three n-regions, two p-regions and a p-substrate. Each area (and substrate) has a separate metal contact, with which you can output the corresponding photo signal. The thicknesses of the semiconductor regions are selected from the considerations of distinguishing five separate spectral ranges of wavelengths of optical radiation. The thickness data are optimized by theoretical calculations and experiment.

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.As a result of a numerical calculation on a computer of the equations of photorelaxation of the n- and p-regions of this structure, it was found that the maxima of the spectral photosensitivity are better separated than in a photocell containing three vertically integrated regions with opposite types of conductivity, and fall at wavelengths: for near-surface n- region - 0.42 μm, for the middle p-region - 0.47 μm, for the middle n-region - 0.53 μm, for the deep p-region - 0.62 μm, for the deep n-region - 0.7 μm while in a photosensitive structure with three vertically integ The spectral characteristics of the photosensitivity of the n- and p-regions of the structure of the photocell are separated by the wavelengths of the optical range so that the maxima of the spectral photosensitivity correspond respectively to the wavelengths: for the near-surface n-region - 0.42 μm, for the average p- region - 0.5 μm, for the deep n-region - 0.62 μm.

На фиг.1 представлен схематический разрез фотоприемного устройства с пятью вертикально-интегрированными областями противоположного типа проводимости, образующими пять вертикально-интегрированных p-n-переходов:Figure 1 shows a schematic section of a photodetector with five vertically integrated regions of the opposite type of conductivity, forming five vertically integrated p-n junctions:

1 - глубокий слой n-типа проводимости;1 - a deep layer of n-type conductivity;

2 - глубокий слой p-типа проводимости;2 - a deep layer of p-type conductivity;

3 - средний слой n-типа проводимости;3 - middle layer of n-type conductivity;

4 - средний слой p-типа проводимости;4 - middle layer of p-type conductivity;

5 - приповерхностный слой n-типа проводимости.5 - surface layer of n-type conductivity.

V₁, V₂, V₃, V₄, V₅ - контакты для управляющих напряжений.V ₁ , V ₂ , V ₃ , V ₄ , V ₅ - contacts for control voltages.

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.Figure 2 shows a planar topological view of the location of the main structural elements of the photo cell with five vertically integrated layers of the opposite type of conductivity: 5 - photosensitive surface of the photo cell, 6 - metallurgical boundaries of pn junctions, 7 - contact windows, 8 - p-region for MOS transistors photo readout circuits.

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.Figure 3 presents a schematic top view of a photo cell with five vertically integrated layers of the opposite type of conductivity, as well as electronic circuits for installing and reading optical photosignals from n- and p-regions. V _mouth - voltage installation; V _n , V _p - voltage reverse bias n - and p-regions; V _pit - supply voltage, T1 ÷ T15 - designation of transistors.

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.Figure 4 shows the distribution of electric potential in a photocell with five vertically integrated layers of the opposite type of conductivity at T = 300 K. Curve 1 - initial stationary depleted state of n- and p-regions, control voltages are equal to: V ₁ = V ₃ = V ₅ = + 1.5 V; V ₂ = V ₄ = -1.0 V; curve 2 - equilibrium state, the corresponding control voltages are equal: V ₁ = V ₂ = V ₃ = V ₄ = V ₅ = 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.Figure 5 presents the spectral characteristics of the photosensitivity of the n-regions of the photocell with five vertically integrated layers of the opposite type of conductivity (solid lines): 1 - near-surface n-region, 2 - middle n-region; 3 - deep n-region. For comparison, the dotted line indicates the spectral characteristics of the photosensitivity of the n- and p-regions of the photocell with three vertically integrated layers of the opposite type of conductivity.

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

.Figure 6 shows the dependences of the maximum photo relaxation times of depleted regions of pn junctions of a photo cell with five vertically integrated layers of the opposite conductivity type on the wavelength of absorbed optical radiation (regions: 1 - deep n1; 2 - deep p1; 3 - average n2; 4 - average p2; 5 - surface n3). Illumination

.

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).The photosensitive device shown in Fig. 1 is manufactured according to the standard CMOS technology, which includes ion implantations of the corresponding doping impurities of phosphorus and boron atoms (ions) with their subsequent “annealing” to create n and p regions successively nested one into another. To create pn junctions, the concentrations of the corresponding doping impurities are increased by a factor of 10 (to overcompensate the previous impurity).

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.With an increase in the concentration of impurities in the n- and p-regions, the corresponding SCR of the p-n junctions substantially decreases and, therefore, the internal electric fields increase. To eliminate the excess of the critical field value of the SCR critical field in two near-surface p-n junctions, lower concentrations of dopants were chosen.

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.Figure 2 presents a top view (in plan) of the photocell shown on a scale with topological dimensions corresponding to the submicron sizes of the photocell with five pn junctions. A planar topological view of the location of the main structural elements of a photo cell with five pn junctions, where 5 is the photosensitive surface of the photo cell, 6 are metallurgical boundaries of the pn junctions, 7 are contact windows, 8 are p ⁺ regions for MOS transistors of photo signal readout circuits.

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.Figure 3 presents a schematic top view of a vertical photosensitive five-diode cell, as well as electronic circuits for installing and reading optical photosignals from n- and p-regions, where V _set is the voltage of the installation; V _n , V _p , are the stresses of reverse biases of n- and p-regions; V _pit - supply voltage; T1 ÷ T15 - designations of transistors.

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.Electronic circuits for reading photosignals from each n- and p-region of the photodetector are performed in adjacent p ⁺ regions with a width of 2 μm adjacent to its photosensitive part. Each photo-signal reading circuit includes a MOS transistor for setting the corresponding depletion voltage in the n- (or p-) region, then an amplifying MOS transistor and a third MOS transistor designed to read the photo-signal to the discharge bus.

Схемотехническая организация управления фотоячейкой содержит пять “шин строк” для считывания фотосигналов пяти спектральных диапазонов длин волн и одну “шину разряда”.The photocell control circuitry contains five “line buses” for reading the photo signals of five spectral wavelength ranges and one “discharge bus”.

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.The proposed photodetector works as follows: in potential wells formed by control voltages, photo-carriers are generated in vertically integrated semiconductor layers due to absorption in each of the radiation layers of the visible range corresponding to different wavelengths depending on the depth of placement of a vertically integrated layer of different conductivity types , then the photoinduced charge is read using MOS transistors.

Распределение электрического потенциала в пятидиодной фотоячейке было получено аналитическим решением уравнения Пуассона для каждой n- и p-области ее структуры.The distribution of the electric potential in a five-diode photocell was obtained by an analytical solution of the Poisson equation for each n- and p-region of its structure.

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.In addition, numerical calculations were performed on a computer using the ISE TCAD CAD program of one-dimensional and two-dimensional distributions of electric potentials in the semiconductor thickness of the photocell structure in accordance with the layer thicknesses according to Fig. 1 and the selected dopant concentrations in them.

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.The distribution of electric potential in a five-diode vertical photocell at T = 300K is shown in Fig. 4, where curve 1 is the initial stationary depleted state of the n- and p-regions, the control voltages are: V ₁ = V ₃ = V ₅ = + 1.5 V ; V ₂ = V ₄ = -1.0 V; curve 2 - equilibrium state, the corresponding control voltages are equal: V ₁ = V ₂ = V ₃ = V ₄ = V ₅ = 0.

Был также выполнен расчет времени терморелаксации рассматриваемой структуры по соотношению:A calculation was also made of the thermal relaxation time of the structure in question by the ratio:

При этом учли, что максимальные рассчитанные величины фотоносителей, собираемых в каждой “потенциальной яме”, а именно:Moreover, we took into account that the maximum calculated values of the photocarriers collected in each “potential well”, namely:

в глубокой n-области - ΔQ_n1фото=2.62·10¹¹ см^-2;in the deep n-region - ΔQ _n1photo = 2.62 · 10 ¹¹ cm ^-2 ;

в p-области - ΔQ_p1фото=8,2·10¹¹ см^-2;in the p-region - ΔQ _{p1 photo} = 8.2 · 10 ¹¹ cm ^-2 ;

в средней n-области - ΔQ_n2фото=18,4·10¹¹ см^-2;in the middle n-region - ΔQ _n2photo = 18.4 · 10 ¹¹ cm ^-2 ;

в средней p-области - ΔQ_p2фото=13,9·10¹¹ см^-2;in the middle p-region - ΔQ _{p2 photo} = 13.9 · 10 ¹¹ cm ^-2 ;

в приповерхностной n-области - ΔQ_n3фото=9,64·10¹¹ см^-2.in the near-surface n-region - ΔQ _n3photo = 9.64 · 10 ¹¹ cm ^-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:

.In addition, it was found that the values of the corresponding densities of the thermal currents in the considered n- and p-regions of the structure are (μA / cm ² ): 2.3; 6.4; 4.6; 10.0; 3.3. Therefore, according to expression (1), the thermal relaxation times of n and p regions are equal to:

= 0.018 s;

= 0.021 s;

= 0.063 s;

= 0.022 s and

= 0.047 s. As the total thermal relaxation time of the entire structure, we choose the smallest of the indicated times — 0.018 s. Then the cycle time (one period) of the photocell control is: T _cycle = 0.001 · T _term = 18 μs, and the corresponding frequency of the photocell control cycle is:

.

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”.It should be noted that the circuitry for polling photo cells of a spectrozonal photosensitive matrix based on vertically integrated photodiodes is possible in two ways. In the first case, the selection bus of n- and p-regions of each individual photo cell can be combined into one horizontal bus of the “row selection”. In this case, the photo signals read from the n and p regions are output (taken into account) to three separate vertical “discharge buses”. In the second case, each n- and p-region of the photocell corresponds to its own “line fetch” bus (ie three horizontal lines of “row fetch” to the photo cell), but the photo signals read from them are output sequentially to one vertical “discharge bus”.

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.The complete electrical circuit for controlling the operation of an individual photocell contains fifteen n-channel MOS transistors T1 ÷ T15. These MOS transistors are performed on a p-substrate common to the photosensitive cell in an additional p-region (N _A = 1 · 10 ¹⁷ cm ^-3 ) simultaneously with the p-region of the photocell. The drain and source of the n-type (N _o = 1 · 10 ¹⁸ cm ^-3 ) of these transistors are formed in the indicated p-region in one technological process with the near-surface n-region of the photocell. The indicated arrangement of transistors of the control circuits in the additional p-region can provide both controlled values of their threshold voltages (at a submicron length of their channels) and additional lateral isolation on all sides of all photomatrix cells from “spurious" surface leakage currents along the p-substrate. The gates of MOS transistors and the installation voltage bus - V _mouth can be made of polysilicon. And to create a compact multi-layer wiring of buses supplying voltages V _pit , V _n , V _p , as well as tires of “row selection” and “discharge buses”, you can use five layers of metallization separated by layers of dielectrics. The upper fourth layer of metal on the dielectric can also be applied, which protects the entire reflection matrix with corresponding windows for the photosensitive n- and p-regions of the photocells.

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”.Based on these data on photocurrents, the spectral characteristics of the photosensitivity of each n-region of the structure of the photocell under consideration are constructed (on a relative scale), which are presented in Fig. 4. Spectral characteristics of the photosensitivity of the n-regions of a five-diode photocell (solid lines): 1 - near-surface n-region, 2 - middle n-region; 3 - deep n-region. For comparison, the dotted line indicates the spectral characteristics of the photosensitivity of the n- and p-regions of the three-diode photocell. These dependences show that the maxima of the spectral photosensitivity of the n-regions correspond to the following wavelengths: for the near-surface n-region, λ _MAX = 0.42 μm, for the middle n-region, λ _MAX = 0.53 μm, for the deep n-region, λ _MAX = 0.7 μm. Comparison with the spectral characteristics of the photosensitivity of the n- and p-regions of a three-diode photocell shows that the proposed photocell with five vertically integrated photodiodes shows greater selectivity in dividing the optical wavelength range into three spectral regions: “blue”, “green” and “red”.

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.In addition, the presence of two additional photo signals read from two p-regions gives two additional spectral ranges with maxima corresponding to wavelengths: λ _MAX = 0.47 μm and λ _MAX = 0.62 μm. These features of the five-diode photocell expand its use as a spectrozonal photodetector for vision systems.

Расчет максимально допустимых времен фоторелаксации (накопления фотозарядов) может быть выполнен по выражению:Calculation of the maximum allowable photo relaxation times (accumulation of photo charges) can be performed by the expression:

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.According to the calculated photocurrents, the dependences of the maximum photo relaxation times for each n- and p-region of the five-diode photocell, which are presented in Fig.6, were also obtained. Dependences of the maximum photorelaxation times of depleted regions of pn junctions of a five-diode photo cell on the wavelength of absorbed optical radiation (regions: 1 - deep n1; 2 - deep p1; 3 - average n2; 4 - average p2; 5 - surface n3). Illumination

. The smallest values of the indicated maximum photorelaxation times are observed in the wavelength ranges of the highest photosensitivity of the n- and p-regions and are: 44 ns; 222 ns; 446 ns; 167 ns; 132 ns, respectively, for regions n1, p1, n2, p2, n3. Outside the ranges of maximum photosensitivity, the times of photo relaxation increase significantly.

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.Thus, the analysis of design parameters, amplitudes of control voltages, and photoelectric characteristics of a vertically integrated five-diode photo cell showed the possibility of creating a spectrozonal photoelectric image converter with high selectivity to select several (five) optical wavelength ranges on its basis. This makes it promising for use in vision systems.

Использованные источники информацииInformation Sources Used

1. Патент США №3971065.1. US patent No. 3971065.

2. Патент США №5502299.2. US Patent No. 5502299.

3. Патент США №4651001.3. US patent No. 4651001.

4. Патент США №4677286.4. US patent No. 4677286.

5. Патент США №5965875 (прототип).5. US patent No. 5965875 (prototype).

Claims

A photodetector comprising three vertically integrated layers with opposite conductivity types, each of which is connected to three MOS transistors, characterized in that it contains two additional vertically integrated semiconductor layers of opposite conductivity types, each of which is connected to three additional MOS transistors so that a photoreceiving device subsurface photosensitive layer n ⁺ -type conduction from the substrate surface is 0.2 microns and locat in direct contact with the middle layer of p-type conductivity, located in the depth of the substrate from 0.2 μm to 0.7 μm, which is in direct contact with the middle layer of n-type conductivity, located from 0.7 μm to 1.2 μm, and it is in direct contact with a deep p-type conductivity layer located from 1.2 μm to 1.7 μm, moreover, it is in direct contact with a deep n-type conductivity layer located from 1.7 μm to 2 , 5 microns, which is in direct contact with the semiconductor substrate p-type conductivity.