ФОТОПРИЕМНАЯ ЯЧЕЙКА Российский патент 2007 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, содержащие в кремниевой подложке первого типа проводимости области, образующие p-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, обусловленный тепловой генерацией неосновных носителей заряда в подложке и их генерацией под воздействием ульрафиолетовой составляющей падающего излучения.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение уровня шумов интегральных фотоприемников.

Другим техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности цветоразделения.

Эти технические результаты достигнуты в фотоприемной ячейке с разделением цветов, содержащей в кремниевой подложке первый и второй p-n переходы, расположенные на разных глубинах от поверхности, в которой на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания второго p-n перехода, расположена дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, формирующая потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера.

Отличия фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что она имеет в подложке на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания второго p-n перехода, дополнительную область одинакового с подложкой типа проводимости, формирующую потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера.

Отличия второго варианта фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что дополнительная область расположена на глубине 1.45 мкм.

Отличия третьего варианта фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что содержит вторую дополнительную область одинакового с подложкой типа проводимости, расположенную под первой дополнительной областью.

Отличия четвертого варианта фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что упомянутая область противоположного типа проводимости, образующая с подложкой p-n переход, имеет боковую диэлектрическую изоляцию.

Отличия пятого варианта фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что между упомянутыми дополнительными областями расположена третья дополнительная область противоположного подложке типа проводимости.

Отличия шестого варианта фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что толщина третьей дополнительной области меньше суммы толщин слоев объемного заряда p-n переходов между дополнительными областями.

Настоящее изобретение поясняется приведенными чертежами.

На фиг.1 приведен схематический разрез структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению.

На фиг.2 приведен график распределения потенциала по глубине структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению.

На фиг.3 приведен схематический разрез структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно третьему варианту настоящего изобретения.

На фиг.4 приведен график распределения потенциала по глубине структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно третьему варианту настоящего изобретения.

На фиг.5 приведен схематический разрез структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно четвертому варианту настоящего изобретения.

На фиг.6 приведен график распределения потенциала по глубине структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно третьему варианту настоящего изобретения.

На фиг.7 приведен график распределения потенциала по глубине структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно четвертому варианту настоящего изобретения.

Фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению содержит в подложке 1 первый p-n переход 2 и второй p-n переход 3, образованные соответственно подложкой 1, областями 4 и 5. Подложка 1 и области 4 и 5 имеют омические контакты 6, 7 и 8. В подложке 1 имеется дополнительная область 9 противоположного подложке типа проводимости, формирующая потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера. В качестве примера на фиг.2 приведен график зависимости величины встроенного потенциала в зависимости от расстояния от поверхности. В конструкции ячейки может быть использована диэлектрическая изоляция 10 щелевого типа [3].

В фотоприемной ячейке согласно третьему варианту настоящего изобретения содержится вторая дополнительная область 11 одинакового с подложкой типа проводимости, расположенная под первой дополнительной областью и выполняющая функции аналогичные функциям области 9. В фотоприемной ячейке согласно четвертому варианту настоящего изобретения между упомянутыми дополнительными областями 9 и 11 расположена третья дополнительная область 12 противоположного подложке типа проводимости. Толщина третьей дополнительной области 12 может быть меньше суммы толщин слоев объемного заряда p-n переходов между дополнительными областями 9, 11 и подложкой 1. Графики зависимостей величины встроенного потенциала в зависимости от расстояния от поверхности для упомянутых выше вариантов ячеек приведены на фиг. 4, 6 и 7. 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 настоящего изобретения 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. Части излучения в световом потоке, соответствующие упомянутым поддиапазонам спектра, поглощаются в подложке 1 с образованием электронно-дырочных пар. При этом синие компоненты излучения поглощаются в тонком (0,4-0,7) мкм приповерхностном слое подложки 1. Зеленая часть спектра генерирует электронно-дырочные пары в более протяженном слое (до 1,5-2) мкм. Наиболее глубоко в подложку (до 7 мкм) проникает красная и инфракрасная составляющие излучения соответственно, эти составляющие генерируют электронно-дырочные пары в более протяженном слое. Определение в световом потоке долей излучений, соответствующих синему, зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра, производится путем определения количества генерированных ими электронно-дырочных пар. Для этой цели в приповерхностном слое подложки созданы p-n переходы 2 и 3, электрические поля в которых разделяют электроны и дырки. В результате разделения носителей заряда формируются токи, величины которых пропорциональны количеству генерированных электронно-дырочных пар и следовательно зависят от интенсивности долей излучений, соответствующих синему, зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра. При этом 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 p-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 9 противоположного подложке типа проводимости, формирующая потенциальный барьер, блокирует продвижение неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера к p-n переходам. Дополнительная область 9, 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 10. 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 фото приемников, 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. Технический результат изобретения: уменьшение уровня шумов. Сущность: фотоприемная ячейка с разделением цветов содержит расположенные на разных глубинах от поверхности кремниевой подложки первый и второй p-n переходы, также в подложке на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания второго p-n перехода, расположена дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, формирующая потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Фотоприемная ячейка с разделением цветов, содержащая в кремниевой подложке первый и второй p-n переходы, расположенные на разных глубинах от поверхности, отличающаяся тем, что в подложке на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания второго p-n перехода, расположена дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, формирующая потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера.2. Фотоприемная ячейка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительная область расположена на глубине 1,45 мкм.3. Фотоприемная ячейка по п.1, отличающаяся тем, что содержит вторую дополнительную область одинакового с подложкой типа проводимости, расположенную под первой дополнительной областью.4. Фотоприемная ячейка по п.1, отличающаяся тем, что области, образующие p-n переходы, имеют боковую диэлектрическую изоляцию.5. Фотоприемная ячейка по п.3, отличающаяся тем, что между упомянутыми дополнительными областями расположена третья дополнительная область противоположного подложке типа проводимости.6. Фотоприемная ячейка по п.5, отличающаяся тем, что толщина третьей дополнительной области меньше суммы толщин слоев объемного заряда p-n переходов между дополнительными областями.