ФОТОПРИЕМНАЯ ЯЧЕЙКА С РАЗДЕЛЕНИЕМ ЦВЕТОВ Российский патент 2006 года по МПК H01L31/06 

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к производству интегральных многоэлементных фотоприемников, например, для видеокамер и цифровой фотографии.

Известны фотоприемные ячейки для интегральных многоэлементных фотоприемников, выполненные в виде фотодиодов [1], предназначенных для считывания изображения во всем видимом диапазоне длин волн. Недостатком таких фотоприемных ячеек является невозможность выявления составляющих светового потока с различными длинами волн.

Известны также фотоприемные ячейки с разделением цветов падающего светового потока, содержащиие в кремниевой подложке первого типа проводимости области, образующие р-n-переходы для разделения носителей заряда, генерированных различными составляющими светового потока от элемента изображения, проецируемого на поверхность ячейки [2].

Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и выбирается в качестве прототипа.

Известные фотоприемные ячейки имеют следующие существенные недостатки: высокий уровень шумов цветоотделения, определяемый недостаточной эффективностью разделения фототоков, определяемых спектральным составом падающего излучения; технологическая несовместимость с CMOS элементами схем считывания.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение уровня шумов цветоотделения интегральных фотоприемников.

Другим техническим результатом настоящего изобретения является достижение технологической совместимости фотоприемных ячеек с CMOS считывания и другими схемами управления фотоприемниками.

Эти технические результаты достигнуты в фотоячейке с разделением цветов, содержащей в кремниевой подложке первый и второй р-n-переходы, удаленные на различные расстояния от поверхности, покрытой слоем двуокиси кремния, в которой первый р-n-переход расположен частично в первой и частично во второй отдельных областях подложки, изолированных диэлектриком, второй р-n-переход расположен в приповерхностной части второй изолированной области и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния, расположенном на слое двуокиси кремния над ним.

Отличия фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что первый р-n-переход расположен частично в первой и частично во второй отдельных областях подложки, изолированных диэлектриком, второй р-n-переход расположен в приповерхностной части второй изолированной области и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния, расположенном на слое двуокиси кремния над ним.

Изобретение поясняется приведенным чертежом. На чертеже приведен схематический разрез фотоприемной ячейки согласно настоящему изобретению.

Фотоприемная ячейка согласно настоящему изобретению содержит кремниевую подложку 1, в которой сформирован первый р-n-переход 2, расположенный частично в первой 3 и частично во второй 4 отдельных областях подложки 1, изолированных диэлектриком 5, второй р-n-переход 6, расположенный в приповерхностной части второй изолированной области 4 и образованный инверсионным слоем 7, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния 8, расположенном на слое двуокиси кремния 9 над ним. В структуре ячейки имеются омические контакты 10, 11, 12 и 13 к изолированным областям, инверсионному слою и подложке. Во втором варианте фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению под первым р-n-переходом 2 расоложена дополнительная область 14 одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, генерированных в подложке. В качестве подложки ячейки может быть использован кремний, легированный бором с концентрацией порядка 10¹⁴...10¹⁵. Области 9 и 11 могут быть сформированы ионным легированием на глубине 1.45...1.5 мкм (максимум концентрации акцепторов) и 2.45...2.5 мкм соответственно.

Фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению работает следующим образом. Световой поток от элемента изображения определенной цветности, содержащий сочетание излучений в синем, зеленом и красном поддиапазонах оптического спектра, проецируется на поверхность фотоприемной ячейки. Область 3 с частью р-n-перехода 2 работает как обычный фотодиод и производит считывание изображения во всем видимом дипазоне длин волн. Поэтому ток через электроды 10 и 13 несет информацию о синей, зеленой и красной составляющих. В области 4 часть излучения, соответствующая ультрафиолетовому и синему поддиапазонам оптического спектра, полностью поглощается слоем 7 поликристаллического кремния с толщиной не менее 0,2 мкм. Остальные части излучения в световом потоке, соответствующие упомянутым поддиапазонам спектра, поглощаются в подложке 1 с образованием электронно-дырочных пар. При этом зеленая часть спектра генерирует электронно-дырочные пары в области подложки толщиной (до 1,5-2) мкм. Наиболее глубоко в подложку (до 7) мкм проникает красная и инфракрасная составляющие излучения и, соответственно, эти составляющие генерируют электронно-дырочные пары в более протяженном слое. Определение в световом потоке долей излучений, соответствующих зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра, производится путем определения количества генерированных ими электронно-дырочных пар. Для этой цели в приповерхностном слое подложки создан р-n-переход 2 и создан р-n-переход 6, образованный приповерхностным инверсионным слоем 7, который образуется под упомянутым слоем поликристаллического кремния 8 при приложении к нему напряжения положительной полярности. Электрические поля в этих переходах разделяют электроны и дырки. В результате разделения носителей заряда формируются токи через омические контакты 11, 12 и 13, величины которых пропорциональны количеству генерированных электронно-дырочных пар, и, следовательно, зависят от интенсивности долей излучений, соответствующих зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра.

В ток, соответствующий красной составляющей от светового потока, падающего на поверхность подложки, вносит вклад и инфракрасная составляющая. Это приводит к ошибкам распознавания спектрального состава потока в известных фотоячейках. Кроме того, независимо от светового потока, падающего на поверхность подложки, в глубине подложки генерируются электронно-дырочные пары, обусловленные шумами. Эти носители заряда в известных фотоприемных ячейках могут достигать р-n-переходов и вносить определенный вклад в токи, по величинам которых определяются доли излучений в падающем световом потоке, соответствующие синему, зеленому, и красному поддиапазонам оптического спектра. Таким образом, возникают ошибки цветоразделения в известных ячейках-аналогах и прототипе. В фотоприемной ячейке с разделением цветов согласно настоящему изобретению дополнительная область 14 противоположного подложке типа проводимости, формирующая потенциальный барьер, блокирует продвижение неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера, к р-n-переходам. Дополнительная область 14, например, может быть расположена на глубине, равной 1,45 мкм. В результате, в значительной мере ослабляется влияние шумов на результаты цветоразделения. Блокирование носителей заряда, генерированных в областях подложки, расположенных вокруг ячейки, осуществляется посредством диэлектрической изоляции 5. Эта конструктивная деталь вносит дополнительный вклад в эффективность цветоразделения.

Фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению может быть изготовлена по широко известной технологии CMOS типа [4] и найти широкое применение при создании СБИС матричных фотоприемников, например, для видеокамер и цифровой фотографии.

ЛИТЕРАТУРА

1. USA Patent №5668596, September, 1997.

2. USA Patent №5965875, October, 1999.

3. High Speed CMOS Logic Data Book. Texas Instruments Ltd, 1991.

4. LVT Low Voltage Technology. Texas Instruments Ltd, 1992.

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к производству интегральных многоэлементных фотоприемников, например, для видеокамер и цифровой фотографии. Сущность: первый р-n-переход расположен частично в первой и частично во второй отдельных областях подложки, изолированных диэлектриком, второй р-n-переход расположен в приповерхностной части второй изолированной области и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния, расположенном на слое двуокиси кремния над ним. Технический результат изобретения: уменьшение уровня шумов цветоотделения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фотоячейка с разделением цветов, содержащая в кремниевой подложке первый и второй р - n-переходы, удаленные на различные расстояния от поверхности, покрытой слоем двуокиси кремния, отличающаяся тем, что первый р - n-переход расположен частично в первой и частично во второй отдельных областях подложки, изолированных диэлектриком, второй р - n-переход расположен в приповерхностной части второй изолированной области и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния, расположенном на слое двуокиси кремния над ним.2. Фотоячейка по п.1, отличающаяся тем, что под первым р - n-переходом расположена дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, генерированных в подложке.