Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию чувствительного прибора, системы обнаружения, макропикселя и способа обнаружения поступления одной или нескольких заряженных частиц и/или одного или нескольких квантов электромагнитного излучения.
Предпосылки к созданию изобретения
Традиционные пиксельные чувствительные к излучению элементы часто основаны на использовании гибридного подхода, при котором электронную схему, расположенную на ленточном носителе со столбиковыми выводами, соединяют с пиксельным чувствительным элементом.
Существует несколько типов традиционных полупроводниковых устройств формирования сигналов изображения и чувствительных элементов. Один из классов таких устройств основан на использовании гибридного пиксельного чувствительного прибора, предназначенного для обнаружения двумерной одиночной частицы или единственного фотона. В другом классе таких устройств используют монолитные активные пиксельные чувствительные элементы (APS), которые представляют собой твердотельные формирователи сигналов изображения, которые обеспечивают для каждого пикселя прием излучения, преобразование заряда в напряжение и функцию возврата в исходное положение (сброса).
Гибридный пиксельный чувствительный прибор главным образом используют в ИК фокальных плоскостях, а кремниевые пиксельные матрицы используют для обнаружения одиночной частицы, для обнаружения рентгеновского излучения и в медицинских формирователях сигналов изображения. Гибридный пиксельный чувствительный элемент позволяет произвести независимую оптимизацию характеристик детектора излучения и пиксельной электронной схемы считывания, так как они изготовлены на двух отдельных подложках при помощи двух различных процессов изготовления. Однако этот тип пиксельного чувствительного элемента имеет предел минимально достижимых размеров пикселя в результате использования технологии присоединения кристаллов на ленточном носителе со столбиковыми выводами. Удалось получить размеры 50 мкм × 50 мкм, однако это дорого и сопряжено с большими сложностями изготовления. Более того, гибридный пиксельный чувствительный элемент имеет достаточно большую входную емкость (от 100 фФ до 200 фФ), что ограничивает рабочие характеристики и шумовые характеристики.
Монолитные APS устройства главным образом используют для формирования изображений в видимой области спектра, совместно с ПЗС формирователями сигналов изображения, однако их также применяют для обнаружения одиночных частиц. В известных монолитных APS устройствах используют плавающую диффузию для образования пиксельного чувствительного элемента в виде n-диффузия/n-карман в р-легированной кремниевой подложке, причем фоточувствительный затвор или PIN (штырьковый) диод образуют в аморфном Si:H (слое), осажденном поверх интегральной схемы. В этих устройствах пиксельный сигнальный ток проинтегрирован с использованием входного конденсатора в течение периода времени несколько миллисекунд. Проинтегрированный ток считывается при помощи истокового повторителя на MOSFET транзисторе (на полевом транзисторе со структурой металл - оксид - полупроводник) F1, как это показано на фиг.1 (известный уровень техники). Транзистор выбора пикселя F3 подключает выход пикселя к общей нагрузке F4. Плавающий узел, который содержит соединение затвора истокового повторителя на полевом МОП-транзисторе F1, пиксельного чувствительного элемента и стока транзистора F2, последовательно сбрасывается при помощи сброса полевого МОП-транзистора F2. Недостатком такого решения является генерирование kTC или шума при сбросе, намного больших собственных электронных шумов каскада усилителя. Более того, устройство, показанное на фиг.1, не способно различать падающие кванты (соударения) во время периода интегрирования.
Для обнаружения одиночной заряженной частицы в традиционных монолитных APS используют в качестве чувствительного элемента 8-12 Ом эпитаксиальный слой кремниевой пластины, используемой в стандартных промышленных КМОП технологиях, причем этот слой имеет толщину несколько микрон. Накопленный сигнал заряда составляет, например, около 80 е- для минимальной ионизирующей заряженной частицы, проходящей через слой кремния толщиной 1 мкм. Главный недостаток традиционного монолитного кремниевого чувствительного элемента заключается в том, что накопление заряда происходит за счет тепловой диффузии носителей. Это в действительности ограничивает скорость носителей и поэтому накопление заряда происходит медленно. Кроме того, накопленный заряд растекается на соседние пиксели и является неполным.
Для обнаружения единичного фотона используют интегральные APS с лавинным усилением, например с усилением, равным 50, причем накопленный заряд для одного фотона может составлять 50 е-. При таких очень низких уровнях сигнала, традиционные структуры APS могут быть использованы только в самой малой степени, если вообще могут быть использованы, так как требуемое отношение сигнал-шум для обнаружения одного фотона излучения в видимой области спектра, фотона рентгеновского излучения или одной заряженной частицы, должно составлять по меньшей мере 10, чтобы снизить до минимума фоновый шум. Это требует снизить уровень собственных шумов ниже 5 е- rms (среднеквадратических), что не может быть обеспечено при помощи традиционных APS интегрирующих структур. Эти структуры имеют коэффициент преобразования порядка 20 мкВ/е- и уровень шумов при сбросе свыше 10 e-rms.
Более того, интегрирующие APS структуры традиционных устройств не могут производить привязку по времени событий, связанных с поступлением частиц, и не могут производить цифровой подсчет каждой поступающей заряженной частицы, фотона рентгеновского излучения или фотона излучения в видимой области спектра. Традиционные схемные структуры для гибридных пиксельных чувствительных к излучению элементов обычно являются слишком большими, самое лучшее, имеющими размеры 50 мкм × 50 мкм, и потребляют слишком большую мощность, например от 30 до 50 мкВт; поэтому их нельзя применять для монолитной интеграции имеющих высокую плотность пиксельных чувствительных элементов, позволяющих обнаруживать квант излучения. Заявителю неизвестны схемы, которые позволяют производить обработку очень слабых сигналов, что необходимо для обнаружения одиночной частицы и/или единичного фотона (SPD) и формирования изображения в монолитных интегральных схемах.
Задачей настоящего изобретения является главным образом решение указанных выше одной или нескольких проблем или улучшение связанной с ними ситуации.
В частности, варианты настоящего изобретения направлены на решение проблем монолитной интеграции активных кремниевых пикселей при использовании промышленных глубоких субмикронных КМОП технологий. Варианты настоящего изобретения направлены на обнаружение одиночной частицы, на локализацию в пространстве треков одиночной заряженной частицы и на обнаружение единичного фотона, в отличие от обычных APS проектов, в которых интегрируют ток сигнала чувствительного элемента в течение некоторого периода интегрирования.
Краткое изложение изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается чувствительный прибор, имеющий чувствительное устройство и схему усиления, причем чувствительное устройство сконструировано и устроено таким образом, что оно вырабатывает сигнал, когда оно получает одну или несколько заряженных частиц и/или один или несколько квантов электромагнитного излучения, а схема усиления имеет входной узел и выходной узел, причем чувствительное устройство подключено к указанному входному узлу для подачи указанного сигнала на него, в результате чего уровень в выходном узле изменяется, и дополнительно имеет цепь обратной связи, соединяющую указанный входной узел и указанный выходной узел, для подачи назад части уровня в выходном узле, для поддержания первого уровня в выходном узле при отсутствии указанного сигнала от указанного чувствительного устройства, причем устройство обратной связи в ответ на изменение уровня в указанном выходном узле изменяет воздействие указанной цепи обратной связи, когда указанный уровень изменяется, чтобы увеличить петлевое усиление указанной схемы усиления.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается чувствительный прибор, имеющий чувствительное устройство и схему усиления, причем чувствительное устройство сконструировано и устроено таким образом, что оно вырабатывает сигнал, когда оно получает одну или несколько заряженных частиц и/или один или несколько квантов электромагнитного излучения, при этом схема усиления имеет входной узел и выходной узел, причем чувствительное устройство подключено к указанному входному узлу, для подачи указанного сигнала на него, в результате чего уровень в выходном узле изменяется и создает выходной сигнал от указанного выходного узла, причем чувствительный прибор дополнительно содержит токовое зеркало, подключенное к указанному входному узлу, которое сконструировано и устроено таким образом, чтобы подавать на него ток для восстановления уровня на входном узле, соответствующего начальному уровню.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предлагается чувствительное устройство, которое содержит чувствительный элемент, предназначенный для обнаружения поступления падающего кванта электромагнитного излучения и/или заряженных частиц, и усилитель, подключенный к чувствительному элементу и предназначенный для усиления сигнала от чувствительного элемента, в котором чувствительный элемент и усилитель изготовлены на общей подложке, причем чувствительное устройство устроено так, чтобы различать поступление единственного кванта или множества падающих квантов на чувствительное устройство.
Чувствительный элемент и усилитель могут быть диффундированы в общей подложке, или могут быть осаждены на общей подложке. Чувствительным устройством может быть пиксельная ячейка.
Подложка может содержать монолитную полупроводниковую интегральную схему и чувствительный элемент, который содержит p-n переход, причем чувствительный элемент наложен на подложку, при этом p-n фотодиод и лавинный фотодиод встроены в подложку, или может содержать чувствительный к излучению элемент, предназначенный для обнаружения заряженных частиц и/или рентгеновских фотонов.
В соответствии с первым вариантом подложка содержит кремниевый кристаллический объем, в который введены чувствительный элемент и усилитель.
Чувствительное устройство содержит аморфный Si:H PIN диод, имеющий множество аморфных Si:H слоев, которые содержат N легированный слой, слой с собственной проводимостью и Р легированный слой, причем слои осаждены на подложке. В соответствии с альтернативным вариантом чувствительное устройство дополнительно содержит аморфный селеновый слой, причем аморфный селеновый слой осажден на подложке. Использование аморфного селенового слоя особенно предпочтительно в рентгеновских применениях, таких как получение маммограммы в медицине. Этот слой имеет более высокий коэффициент преобразования для рентгеновских фотонов с энергией свыше 10 кэВ, чем аморфный Si:H слой.
Усилитель может быть выполнен как нелинейный трансрезистивный усилитель.
Чувствительный элемент и усилитель могут быть диффундированы в подложку или осаждены на подложку.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается устройство для выработки сигнала, соответствующего событию обнаружения, которое содержит одно или несколько чувствительных устройств, определенных выше, и дополнительно содержит схему считывания для приема выходного сигнала от одного или нескольких чувствительных устройств и выработки выходного сигнала, соответствующего событию обнаружения.
Устройство может дополнительно содержать плоскую матрицу чувствительных устройств, определенных выше.
В соответствии с одним из вариантов схема считывания представляет собой комплементарную МОП-структуру, образованную на подложке, причем подложка может быть первого типа проводимости, при этом КМОП схема содержит один или несколько МОП полевых транзисторов первого типа проводимости, область кармана второго типа проводимости в указанной подложке, и один или несколько МОП транзисторов второго типа проводимости, образованных в области кармана.
Схема считывания может иметь первую секцию и вторую секцию. Первая секция может содержать нелинейный трансрезистивный усилитель.
В соответствии с одним из вариантов нелинейный трансрезистивный усилитель содержит усилитель тока, управляемый напряжением, полевой транзистор обратной связи и входной источник тока.
Вторая секция может содержать транзисторный дискриминатор для выработки двоичного сигнала для каждого кванта электромагнитной энергии и/или обнаруженной заряженной частицы.
Устройство может быть устроено таким образом, чтобы осуществлять обнаружение каждого кванта, сталкивающегося с каждым чувствительным устройством, и обеспечивать обнаружение одиночной частицы (SPD).
Устройство может быть устроено таким образом, чтобы интегрировать заряды и последовательно считывать заряды при стандартной работе APS.
Чувствительным элементом может быть р-n чувствительный элемент или p-i-n чувствительный элемент, причем усилитель имеет входной чувствительный узел, при этом входной чувствительный узел подключен к стоку полевого транзистора обратной связи, к электроду чувствительного элемента и к стоку входного источника тока.
Схема считывания может иметь выходной ток, причем схема считывания устроена таким образом, чтобы принимать внешние опорные сигналы, при этом внешние опорные сигналы содержат опорное напряжение, опорный ток и ток смещения, причем внешние опорные сигналы и выходной ток от схемы считывания являются общими для одного или нескольких чувствительных устройств.
Полевой транзистор обратной связи может иметь исток, подключенный к выходу усилителя тока, управляемого напряжением.
В соответствии с одним из вариантов полевой транзистор обратной связи устроен таким образом, что полевой транзистор обратной связи имеет ток стока, равный опорному току, зеркально отражаемому при помощи входного источника тока, когда полевой транзистор обратной связи смещен в область слабой инверсии, причем полевой транзистор образует входной источник тока, а полевой транзистор обратной связи создает смещение постоянного тока для чувствительного элемента.
Полевой транзистор обратной связи может быть устроен таким образом, что когда он смещен малым током, составляющим ориентировочно от 1 до 20 пА, то ток падает, когда появляется входной сигнал на входном чувствительном узле за счет частицы или фотона, сталкивающихся с р-n или p-i-n чувствительным элементом.
Усилитель тока, управляемый напряжением, может иметь замкнутую петлю обратной связи, когда указанный полевой транзистор обратной связи работает в цепи обратной связи и имеет ток стока около нуля.
В соответствии с одним из вариантов усилитель тока, управляемый напряжением, устроен таким образом, чтобы работать аналогично трансрезистивному каскаду с полевым транзистором обратной связи, работающим в цепи обратной связи.
Полевой транзистор обратной связи может быть устроен таким образом, что когда полевой транзистор обратной связи выключается при входном сигнале заряда выше порогового значения, тогда полевой транзистор обратной связи имеет ток стока около нуля.
Квант может создавать входной заряд для чувствительного элемента, причем входной пороговый заряд оставляет ориентировочно от 10 до 15 е- при опорном токе около 10 пА.
Нелинейный трансрезистивный усилитель может быть устроен таким образом, чтобы иметь разомкнутую петлю обратной связи, когда полевой транзистор обратной связи выключается при входном сигнале выше порогового значения.
Нелинейный трансрезистивный усилитель может иметь низкое усиление для малых входных сигналов ниже порогового значения, когда транзистор обратной связи включен, причем нелинейный трансрезистивный усилитель имеет большое усиление для сигналов выше порогового значения, когда транзистор обратной связи выключен.
В соответствии с одним из вариантов затвор транзистора дискриминатора подключен к выходу усилителя, а его сток подключен к выходу чувствительного устройства, причем выходной порт чувствительного устройства подключен к выходному сигналу, при этом выходной сигнал представляет собой ток.
Схема считывания может быть устроена таким образом, чтобы получать опорное напряжение, причем опорное напряжение порождает напряжение выходного узла усилителя тока, управляемого напряжением, за счет напряжения затвор-исток транзистора обратной связи.
Опорное напряжение может быть использовано таким образом, чтобы смещать транзисторный дискриминатор в область слабой инверсии, при токе стока несколько наноампер.
Квант может соударяться с одним или несколькими чувствительными устройствами и возбуждать напряжение на чувствительном элементе, образующее напряжение входного чувствительного узла, причем напряжение входного чувствительного узла снижается, а выходное напряжение усилителя тока, управляемого напряжением, повышается, когда квант соударяться с одним или несколькими чувствительными устройствами.
Устройство может быть устроено таким образом, что когда возрастает напряжение выходного узла усилителя тока, управляемого напряжением, то тогда ток стока транзистора дискриминатора возрастает экспоненциально от изменения напряжения выходного напряжение усилителя тока, управляемого напряжением.
Увеличение тока стока транзистора дискриминатора может быть в 1000 раз (3 декады тока) относительно значения, составляющего ориентировочно от 1 нА до 1 мкА, при возрастании выходного напряжения усилителя тока, управляемого напряжением, составляющем около 250 мВ.
Увеличение тока стока транзисторного дискриминатора может переключать напряжение выходного порта чувствительного устройства и генерировать двоичный сигнал.
Увеличение выходного напряжения на величину около 250 мВ может быть создано за счет входного заряда около 25 е-.
Схема считывания может быть устроена таким образом, чтобы принимать опорное напряжение, задающее значение опорного напряжения, причем значение опорного напряжения определяет ток холостого хода транзистора дискриминатора, обеспечивающий порог разрешения схемы считывания.
Схема считывания может содержать интегрирующий активный пиксельный формирователь сигналов изображения на базе активного пиксельного чувствительного элемента (APS).
Интегрирующий формирователь сигналов изображения может содержать каскад истокового повторителя вместо транзистора дискриминатора.
Интегрирующий формирователь сигналов изображения может иметь входной источник тока, причем входной источник тока выключается на время интегрирования и время считывания.
Входной источник тока может периодически смещаться током около 10 пА в течение времени сброса.
Устройство может быть устроено таким образом, что транзистор обратной связи выключается, когда входной сигнал возрастает выше порогового значения, при этом петля обратной связи усилителя размыкается, что приводит к сильному росту усиления усилителя и, следовательно, к повышению чувствительности одного или нескольких чувствительных устройств.
Усилитель может представлять собой нелинейный усилитель, имеющий выход и вход, причем усилитель имеет минимальную емкость обратной связи, составляющую около 10-17 Ф, что позволяет получить коэффициент преобразования заряд-напряжение, обеспечивающий ориентировочно от 5 мВ до 10 мВ на выходе усилителя, для каждого электрона, поступающего на его вход.
Устройством может быть устройство формирования изображения, предназначенное для выработки выходного сигнала, соответствующего обнаруженному изображению.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается макропиксель (макропиксел), который содержит матрицу чувствительных устройств, определенных выше, причем выходы чувствительных устройств объединены для создания эффекта большого пикселя. Выходы пикселей могут быть подключены к шине. Макропиксель может быть устроен таким образом, что если чувствительное устройство в макропикселе выходит из строя, то макропиксель сохраняет работоспособность, хотя и с пониженной чувствительностью.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается матрица макропикселей, определенных выше, предназначенных для обнаружения или формирования изображения.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предлагается устройство, которое содержит матрицу макропикселей, определенных выше, причем устройство формирования изображения диффундировано в или осаждено на поверхность подложки.
Один или несколько вариантов настоящего изобретения могут быть применены для создания полупроводниковых устройств формирования изображений и обнаружения излучения, в частности матриц монолитных кремниевых активных пиксельных чувствительных элементов, которые позволяют обнаруживать единичные фотоны или частицы, такие как фотоны излучения в видимой области спектра, фотоны рентгеновского излучения и заряженные частицы, такие как электроны или протоны. Монолитное исполнение позволяет использовать стандартный КМОП процесс изготовления.
В соответствии с одним из вариантов в изобретении предлагается устройство формирования изображений, выполненное как интегральная схема в виде монолитной, комплементарной МОП-структуры за счет использования стандартного промышленного МОП-процесса. Пиксельная интегральная схема может содержать аморфный Si:H PIN диод для улавливания единичного фотона/ частицы, генерирующих заряд, осажденный поверх интегральной схемы на подложке, или n-карман р-n-переход или другой диод в области ниже эпитаксиального слоя и в объеме подложки. Пиксельная интегральная схема также может содержать схему считывания, имеющую по меньшей мере усилитель тока, управляемый напряжением, и N-MOSFET устройство обратной связи в р-легированной подложке. N-MOSFET устройство обратной связи может быть подключено между чувствительным узлом, образованным за счет соединения входного усилителя тока, управляемого напряжением, с электродом пиксельного чувствительного элемента, и выходным узлом усилителя тока, управляемого напряжением.
В соответствии с одним из вариантов усилитель тока, управляемый напряжением, содержит четыре схемы, образованные двумя P-MOSFET транзисторами и двумя N-MOSFET транзисторами. В соответствии с этим вариантом, два P-MOSFET транзистора работают в качестве входной каскодной схемы усилителя с высоким усилением, причем входной затвор подключен к чувствительному элементу, которым может быть электрод N-карман, или PIN аморфный Si:H диод. Два N-MOSFET транзистора работают в качестве каскодного выходного источника тока с высоким импедансом. В этом варианте предусмотрено N-MOSFET устройство обратной связи, которое смещено в глубокую слабую инверсию за счет дополнительного P-MOSFET входного источника тока, который образует, вместе с диодом, подключенным к P-MOSFET, токовое зеркало, которое смещено при помощи внешнего источника тока.
MOSFET транзистор (полевой МОП-транзистор) обратной связи может быть смещен в область относительно малого тока, например от 1 пА до 20 пА, что позволяет его выключать, когда малый входной сигнальный заряд от 1 е- до 20 е- поступает на вход. Содержащий четыре MOSFET транзистора каскодный усилитель может работать с разомкнутой цепью обратной связи, когда MOSFET транзистор обратной связи выключается при помощи входного сигнала. Выходной N-MOSFET транзистор дискриминатора может получать напряжение выходного узла на свой затвор, подключенный к выходному узлу, причем его сток подключен к внешнему источнику тока, а его исток подключен к земле. Внешнее напряжение VREF может управлять напряжением выходного узла каскодного усилителя тока, управляемого напряжением, и определять рабочие условия выходного N-MOSFET транзистора дискриминатора. Напряжение VREF может быть выбрано таким образом, что выход MOSFET транзистора смещен в область ниже порога (что также называется слабой инверсией) и включается, когда приходит входной сигнальный заряд, в результате чего выходной узел транзистора дискриминатора переключается от подачи напряжение VDD на землю. Размеры входных P-MOSFET транзисторов могут быть выбраны таким образом, чтобы снизить до минимума шум, по сравнению с диффузионной емкостью N-кармана или с емкостью PIN аморфного Si:H диода.
Размеры N-MOSFET транзисторов выходного источника тока могут быть выбраны и размещены таким образом, чтобы снизить до минимума емкость стока. Паразитная емкость между входным узлом и выходным узлом усилителя может быть снижена до минимума, чтобы максимально повысить усиление ветви усилителя с разомкнутой цепью обратной связи. Усилитель может быть смещен низким током, чтобы обеспечить потребление мощности пиксельной ячейкой ниже 250 нВт. Схема считывания может дополнительно содержать быстродействующую линию ИЛИ, соединяющую вместе группу пикселей. Группа пикселей образует макропиксель, считывание которого производится за счет периферического считывания интегральной схемы. Каждый макропиксель может иметь схему формирователя, которая соединена с логической схемой считывания конца колонки.
В соответствии с одним из вариантов предусмотрен аналоговый выход для суммирования сигналов внутри макропикселя. В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения, предусмотрена интеграция имеющего высокое усиление сигнала для очень чувствительных APS применений, в которых опорный ток задают таким образом, чтобы производить мягкий сброс пикселя без kTC шума сброса.
Краткое описание чертежей
Варианты изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая структуру известной APS схемы.
На фиг.2А показана принципиальная электрическая схема чувствительного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2В показана принципиальная электрическая схема устройства, показанного на фиг.2А, но в состоянии с незамкнутой петлей и с инверсией полярности через транзистор обратной связи усилителя.
На фиг.3 показана принципиальная электрическая схема двоичного индивидуального чувствительного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.4 показана принципиальная электрическая схема устройства для считывания выходных сигналов множества чувствительных устройств.
На фиг.5 показан график колебаний при переходе усилителя фиг.2А, 2В и 3 от работы с замкнутой петлей к работе с разомкнутой петлей обратной связи.
На фиг.6 показан график колебаний на входе чувствительного узла, на выходе узла усилителя тока, управляемого напряжением, и на выходе транзисторного дискриминатора, для пикселя, показанного на фиг.2А, 2В и 3, для входных зарядов 12.5 е-, 25 е-, 50 е- и 100 е-.
На фиг.7 показан график колебаний на выходе усилителя тока, управляемого напряжением, для узла чувствительного элемента, например для пикселя, показанного на фиг.2А-3, для входного заряда 75 е- и входных токов 1 пА, 2 пА, 5 пА, 10 пА и 20 пА.
На фиг.8 показан график изменения напряжения истока при изменении тока стока, при постоянном напряжении на затворе МОП транзистора обратной связи, работающего при слабой инверсии, аналогично показанному на фиг.2А-3.
На фиг.9А показан график расчетного шума в функции емкости входного чувствительного узла, для чувствительного устройства обнаружения одиночной частицы (SPD), такого как пиксельная ячейка, показанная на фиг.2А-3.
На фиг.9B показан график расчетного шума в функции опорного тока SPD чувствительного устройства, показанного на фиг.2А-3.
На фиг.10 показана принципиальная электрическая схема устройства интегрирования заряда в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.11 показан график входного тока, при поступлении одного электрона каждые 500 нс, для входного узла и выходного узла интегрирующего чувствительного устройства фиг.10.
На фиг.12 показан график шума (ENC) в функции рабочей температуры, от 77 К до 297 К, для двоичного чувствительного устройства, например для пиксельной схемы фиг.3.
На фиг.13 показан график для двоичного чувствительного устройства фиг.3, имеющего емкость чувствительного элемента 1.5 фФ, предназначенного для обнаружения заряда 3 (трех) электронов.
На фиг.14 показана компоновка макропикселя, объединяющего 16 пикселей такого же типа, что и пиксель, показанный на фиг.3.
На фиг.15 показано поперечное сечение чувствительного элемента специализированной интегральной схемы, в которую может быть введен при помощи диффузии пиксель фиг.2А-4 и 10, с аморфным Si:H PIN чувствительным элементом, осажденным на поверхности специализированной интегральной схемы.
На фиг.16А показана структурная схема матрицы из 64 пикселей, показанных на фиг.3.
На фиг.16B показана матрица из 64 пикселей, показанных на фиг.3, расположенных в виде матрицы 8×8 и образующих макропиксель, считывание которого может быть осуществлено при помощи аналоговой мультиплексорной APS схемы считывания.
На фиг.17 показан чувствительный элемент с большой площадью, такой как полная подложка, несущая компоновку матрицы, аналогичной показанной на фиг.4, 16А и 16B.
На фиг.18 показана структура лавинного фотодиода, интегрированного на кремниевой подложке с использованием КМОП процесса в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
На всех чертежах аналогичные элементы имеют одинаковые позиционные обозначения.
На фиг.2А показана упрощенная принципиальная электрическая схема чувствительного устройства 10, такого как пиксельная ячейка детектора одиночной частицы (SPD), содержащего планарную матрицу из множества таких устройств или ячеек, образованную в виде интегральной схемы. Чувствительное устройство 10 имеет чувствительный элемент (датчик) 12, инвертирующий усилитель тока 14, управляемый напряжением, токовое зеркало, образованное двумя транзисторами Т2 и Т3, полевой МОП-транзистор обратной связи Т1 и выходной полевой МОП-транзистор дискриминатора Т4. Чувствительный элемент 12 подключен ко входу усилителя 14. Полевой МОП-транзистор обратной связи Т1 имеет свой основной путь тока между входом и выходом усилителя 14, причем выход усилителя 14 подключен к выходу полевого МОП-транзистора дискриминатора Т4, при этом транзистор Т1 обеспечивает отрицательную обратную связь. Транзистор дискриминатора Т4 получает входной сигнал непосредственно от выходного узла усилителя тока 14, управляемого напряжением. Транзистор Т4 работает как ключ, оставаясь выключенным до тех пор, пока напряжение на его затворе не достигнет порогового напряжения включения транзистора, так что выход IOUT остается при нулевом напряжении до тех пор, пока не будет превышен порог; таким образом, обеспечивается двоичный выход. Полная емкость Cf между входным узлом и выходным узлом усилителя 14 является суммой паразитной емкости между входным узлом и выходным узлом и емкости сток-исток транзистора обратной связи Т1.
Может быть использовано множество различных чувствительных элементов и чувствительных элементов различных типов. Среди них следует упомянуть пиксельный чувствительный элемент, который содержит полученный за счет диффузии N-карман, работающий в линейном или лавинном режиме, PIN аморфный кремниевый чувствительный элемент, осажденный на подложку, р-n фотодиод, лавинный фотодиод, интегрированный в подложке, чувствительный к излучению элемент, предназначенный для обнаружения заряженных частиц и/или рентгеновских фотонов, или PIN аморфный Si:H диод (в случае осаждения тонкой аморфной кремниевой пленки поверх интегральной схемы). Чувствительный элемент может содержать любой материал с высоким атомным номером для обнаружения рентгеновского излучения, осажденный на или поверх подложки, специфическими примерами которого являются иодид ртути, иодид свинца и аморфный селен, из которого образован, например, pin диод. Другим альтернативным чувствительным элементом является лавинный фотодиод, интегрированный на подложке, как это показано на фиг.18.
Источник входного тока IREF 18 зеркально отражается при помощи токового зеркала, которое содержит подключенный в виде диода полевой МОП-транзистор Т3 и транзистор Т2.
В соответствии с вариантом, показанным на фиг.2А, источник тока 18 (IREF) впрыскивает ток через токовое зеркало Т2, Т3 в полевой МОП-транзистор обратной связи Т1. Типичный диапазон токов IREF заключен между 1 пА и 20 пА, что позволяет смещать полевой МОП-транзистор обратной связи Т1 глубоко в слабую инверсию. Исток полевого МОП-транзистора обратной связи Т1 позволяет управлять потенциалом выхода VOUT усилителя тока 14, управляемого напряжением, при помощи напряжения на затворе VREF. Точное значение потенциала выходного узла может быть определено по следующей формуле:
Величину опорного напряжения VREF выбирают таким образом, чтобы потенциал VOUT выходного узла удерживался ниже потенциала входного узла VIN. Это создает такое смещение полевого МОП-транзистора обратной связи Т1, которое позволяет иметь положительное напряжение сток-исток, достаточное для его работы в насыщении.
Уровень постоянного входного напряжения VIN определяется рабочими условиями входной схемы усилителя тока 14, управляемого напряжением. Обычно в усилителе входным элементом является полевой МОП-транзистор, и тогда уровень постоянного напряжения обычно равен питающему напряжению VDD минус напряжение затвор-исток полевого МОП-транзистора, служащего в качестве входного транзистора усилителя 14.
Каждый квант электромагнитного излучения, сталкивающийся с подложкой и эпитаксиальным слоем в непосредственной близости от р-n перехода, образованного в чувствительном элементе 12, генерирует пакет пар электрон-дырка (обычно 80 е- h пар для кремниевого слоя толщиной 1 мкм). Пакет электронного заряда ΔQDET затем дрейфует (за счет тепловой диффузии или за счет электрического поля, в случае аморфного кремниевого тонкого слоя, нанесенного поверх интегральной схемы) и накапливается в чувствительном элементе 12, за счет чего создается ступенька отрицательного напряжения -ΔVIN на входе усилителя тока 14, управляемого напряжением, наложенная на его постоянный потенциал VIN.
Величина ступеньки напряжения ΔVIN равна ΔQDET/CIN, где CIN представляет собой полную входную емкость, включающую в себя все емкости, подключенные ко входу чувствительного узла, причем полная входная емкость типично составляет 2 фФ-5 фФ (около 2 фФ для PIN аморфного Si:H диода и 3фФ-5 фФ для диодного чувствительного элемента в объеме материала). Ступенька входного напряжения ΔVIN генерирует ступеньку выходного тока ΔIOUT на выходе усилителя тока, управляемого напряжением 14.
Величина ступеньки тока равна ΔIOUT=-gmΔVIN.
Усилитель 14 за счет транзистора обратной связи Т1 сначала работает как трансрезистивный усилитель, и поэтому опорный входной ток IREF зеркально отражается в ветви обратной связи, образованной полевым МОП-транзистором обратной связи Т1. В установившемся состоянии транзистор обратной связи Т1 работает с заземленным затвором, при этом исток действует как выходной узел, а сток как входной узел.
Когда происходит соударение частицы или фотона, создается ступенька отрицательного напряжения -ΔVIN на входе усилителя тока 14, управляемого напряжением, которая затем приводит к генерации ступеньки выходного тока на его выходе ΔIOUT=-gmΔVIN. Это изменение тока создает нарастающее напряжение ΔVOUT, которое снижает ток обратной связи от его начального значения IREF до более низкого значения, зависящего от амплитуды ΔVIN. Если это изменение ΔVIN является достаточно большим, то ток стока полевого МОП-транзистора обратной связи Т1 снижается до нуля и усилитель тока 14, управляемый напряжением, начинает работать в режиме с разомкнутой петлей обратной связи. Если же это изменение ΔVIN является достаточно малым и позволяет поддерживать в обратной связи ток стока больше нуля, то тогда петля обратной связи усилителя тока, управляемого напряжением, остается замкнутой, при этом он продолжает работать как трансрезистивный усилитель.
Ток IREF выбирают таким образом, чтобы поддерживать транзистор обратной связи Т1 в состоянии глубокой слабой инверсии, что позволяет получить очень малую емкость сток-исток CDS, составляющую ориентировочно 5-20 аФ, обеспечивающую поддержание высокой чувствительности к приходящему кванту или к приходящим квантам.
Когда глубоко субмикронный КМОП полевой транзистор используют в качестве транзистора обратной связи Т1, причем такие устройства имеют размер около 0.25 мкм или меньше, и применяют смещение в глубокую слабую инверсию, то емкость сток-исток стремится к нулю, когда напряжение затвор-исток составляет менее 0.4 В. В этих условиях такой транзистор обратной связи Т1 работает как ключ, управляемый самим входным сигналом, который не нуждается в дополнительном средстве сброса, и поэтому устройство не имеет шума сброса.
На фиг.2В показано чувствительное устройство фиг.2А при разомкнутой обратной связи, причем исток S и сток D транзистора Т1 поменялись местами по сравнению с показанным на фиг.2А.
В состоянии, показанном на фиг.2В, порог перехода от замкнутой петли к разомкнутой петле происходит при очень малом токе стока полевого МОП-транзистора обратной связи Т1. Когда изменение выходного напряжения выходного узла усилителя тока 14, управляемого напряжением, является достаточно большим для инверсии полярности напряжения сток-исток полевого МОП-транзистора обратной связи Т1, то сток заменяет исток, как это показано на фиг.2В. При этом исток становится узлом, подключенным к входному чувствительному узлу. Напряжение затвор-исток полевого МОП-транзистора обратной связи Т1, заданное при помощи опорного напряжения VREF, минус входное постоянное напряжение усилителя тока 14, управляемого напряжением, является постоянным в течение периода инверсии полярности.
Ток стока в выключенном состоянии транзистора Т1 определяется выражением:
Опорное напряжение VREF является достаточно низким для того, чтобы напряжение затвор-исток полевого МОП-транзистора обратной связи Т1 поддерживало этот ток стока достаточно малым, чтобы избежать разрядки входного чувствительного узла и выходного узла усилителя тока 14, управляемого напряжением.
Обычно переход усилителя тока 14, управляемого напряжением, в состояние с разомкнутой петлей и инверсия полярности сток-исток полевого МОП-транзистора обратной связи Т1 происходит при накоплении входного заряда более 10 е-. В этом рабочем режиме, каскад усилителя имеет усиление по напряжению, соответствующее следующему выражению:
Для типичных значений крутизны характеристики прямой передачи полевого транзистора gm равно 10-7 См (сименс), а выходное сопротивление ROUT усилителя тока 14, управляемого напряжением, составляет от 108 до 109 Ом, так что типичное усиление по напряжению в разомкнутом состоянии ΔVOUT/ΔVIN лежит в диапазоне ориентировочно от 1000 до 10000. Следовательно, может быть получен коэффициент преобразования от 5 до 10 мВ/е-, что на 3 порядка величины больше, чем для известных APS пиксельных ячеек.
При таком очень высоком усилении время нарастания выходного напряжения в выходном узле усилителя определяется скоростью нарастания выходного напряжения, задаваемой при помощи выходного тока усилителя тока 14, управляемого напряжением, а не выходной постоянной времени ROUT·СOUT. Время нарастания выходного напряжения соответствует выражению:
в котором IBIAS представляет собой ток смещения.
Время срабатывания ΔtR определяется минимальным обнаруживаемым напряжение ΔVMIN на входе транзисторного дискриминатора Т4, которое можно найти по формуле:
После появления входного заряда петля обратной связи остается разомкнутой до тех пор, пока входной источник тока 18 заряжает входной чувствительный узел до начального постоянного напряжения, в течение времени около QDET/IREF. Это гладкий заряд, а не ступенька. Для типичных значений IREF и ΔQDET 10 пА и 100 е-, время восстановления составляет около 1.6 мкс. Постоянная времени выходного узла, которая меньше, определяется как τOUT=ROUT·СOUT.
Для ROUT=108 и СOUT=1 фФ постоянная времени обычно равна 100 нс.
Величина опорного тока IREF, которую задают снаружи на периферии ИС, определяет пороговый уровень переключения в режим с разомкнутой цепью обратной связи.
Полевой МОП-транзистор обратной связи Т1 совместно с входным источником тока 18 (IREF) обеспечивает автоматическое управление по постоянному току потенциалом входного чувствительного узла, без необходимости использования любого дополнительного устройства сброса. Полевой МОП-транзистор обратной связи Т1, совместно с включенным в диодном режиме полевым МОП-транзистором Т3 токового зеркала Т3 Т2, которое зеркально отражает ток IREF, также обеспечивает управление нелинейной работой усилителя 14 и определяет порог работы с разомкнутой петлей.
Значение опорного напряжения VREF, которое подстраивают снаружи на периферии ИС, определяет пороговый уровень для выходного полевого МОП-транзистора Т4, который действует как транзистор дискриминатора. При поступлении входного заряда ΔQDET на затворе выходного полевого МОП-транзистора Т4 возникает положительный импульс напряжения ΔVOUT, генерируемый на выходе усилителя тока 14, управляемого напряжением, и вырабатывается выходной ток, который быстро понижает потенциал выходного узла от положительного значения шины питания до нуля. Выходной полевой МОП-транзистор Т4 работает при слабой инверсии, причем при соответствующем значении VREF выходной транзистор Т4 работает как дискриминатор. Экспоненциальное нарастание тока IDO, обеспечивающее эффект дискриминации (распознавания), соответственно соответствует выражению:
Например, постоянный ток стока транзистора 1 пА, установленный при помощи VREF, и размах выходного напряжения ΔVOUT, в 10 раз превышающий UT (250 мВ), повышает ток стока на 3 порядка величины до 1 мкА, что достаточно для переключения выходного узла на уровень земли при помощи тока 0.5 мкА от внешнего источника тока.
Выход полевого МОП-транзистора Т4 обеспечивает функцию быстрого сигнала дискриминации с пороговым значением от 5UT до 10UT. Транзистор Т4 также обеспечивает функцию возбудителя местной линии, вырабатывая выходной двоичный сигнал без потребления мощности, за исключением момента, когда схема активизируется при появлении входного заряда ΔQDET, превышающего порог.
На фиг.3 показана двоичная реализация чувствительного устройства в соответствии с настоящим изобретением. Чувствительное устройство содержит чувствительный элемент 12, усилитель тока, управляемый напряжением, имеющий два транзистора M1 и М4, источник тока 18, токовое зеркало, имеющее два транзистора М3 и М6, транзистор обратной связи М2 и выходной каскад, который содержит четыре транзистора М8, М10, M11, M12, причем два каскодных транзистора M10, М8 имеют выход X, а два каскодных транзистора M11, M12 имеют выход Y. Чувствительный элемент 12 подключен ко входу усилителя тока M1 M4, управляемого напряжением. Источник тока 18 подключен к узлу соединения входа усилителя тока M1 M4, управляемого напряжением, и чувствительного элемента 12. Транзистор обратной связи М2 подключен между входом и выходом усилителя тока M1 M4, управляемого напряжением. Выход усилителя тока M1 M4, управляемого напряжением, подключен к выходному каскаду М10 М8 и M11 M12.
Нагрузка постоянного тока на выходе усилителя тока M1 M4, управляемого напряжением, обеспечена при помощи каскодного токового зеркала, образованного транзистором М9 в диодном включении и транзистором М5, включенным каскодно с транзистором М7. На общий затвор транзисторов М7, M10 и M12 подают напряжение затвора VCAS. X выходной ток отбирают со стока имеющего общий затвор транзистора M10, a Y выходной ток отбирают со стока имеющего общий затвор транзистора M12.
Как это показано на фиг.3, выходной каскад дискриминатора M10 М8 и M12 M11 чувствительного устройства содержит каскодный усилитель, образованный при помощи N-MOSFET транзисторов М8 М10 и M11 M12. Полная динамическая работа схемы фиг.3 аналогична работе схем, показанных на фиг.2А и 2В, однако чувствительный элемент 12 подключен между напряжением смещения Vs и входным узлом VIN. В тех вариантах, где чувствительный элемент 12 представляет собой аморфный Si:H PIN диод, осажденный на специализированной интегральной схеме, Vs выбирают в диапазоне от -10 В до -300 В. В тех вариантах, где чувствительный элемент 12 представляет собой р-n диодный переход, диффундированный на подложке, Vs может быть равно потенциалу земли (нулю).
Схема фиг.3 может быть также модифицирована для повышения компактности путем замены каскодного источника тока М5 М9 простым источником тока и каскодных транзисторов дискриминатора М8 M10 одним транзистором дискриминатора.
В другом варианте аналоговое считывание может быть получено путем замены транзистора дискриминатора выходным аналоговым буфером, как это показано на фиг.10.
Ветвь усилителя M1 М4 М5 М9 смещена током стока IBIAS, составляющим около 200 пА, что ограничивает потребление мощности величиной около 250 нВт, при напряжении источника питания VDD, составляющем 1.4 В.
Транзистор обратной связи представляет собой N-MOSFET транзистор М2, имеющий минимальный размер и работающий при слабой инверсии в области насыщения. Транзистор М2 подключен своим стоком ко входному узлу, а своим истоком к выходному узлу. Входной источник тока, образованный P-MOSFET транзистором М3, смещен при токе стока, выбранном от 1 пА до 20 пА, при помощи токового зеркала М6. М3 впрыскивает тот же ток в транзистор обратной связи М2, что обеспечивает обратную связь по постоянному току ветви усилителя M1 М4 М5 М9. М3 автоматически поддерживает потенциал входного чувствительного узла VIN, который является потенциалом затвора транзистора M1, при таком значении, которое необходимо для смещения M1, чтобы получить ток стока, заданный каскодным источником тока М5 М9, а также обеспечивает потенциал смещения чувствительного элемента.
На фиг.4 показана чувствительная матрица 400, которая содержит матрицу 300 чувствительных устройств, например пикселей, аналогичных по типу пикселю, показанному на фиг.3, или макропикселей 290 (каждый из которых представляет собой матрицу объединенных пикселей, действующих как единственный чувствительный элемент), причем матрица имеет m строк и n столбцов (колонок). Х выход каждой строки подключен ко входу чувствительного усилителя-компаратора 410, причем предусмотрен один чувствительный усилитель-компаратор, объединенный с каждой строкой. Аналогично, Y выходы чувствительных устройств, которыми могут быть пиксели, в каждом столбце подключены ко входу чувствительного усилителя-компаратора 410. Чувствительные усилители-компараторы, подключенные к Х выходам, и чувствительные усилители-компараторы, подключенные к Y выходам, асинхронно обнаруживают наличие соударения с чувствительным устройством, например с пикселем, квантов электромагнитного излучения или заряженных частиц. Выходные сигналы чувствительных усилителей-компараторов 410 закодированы в виде двоичного слова в цифровом кодирующем устройстве 420, что позволяет получать Х и Y адреса/координаты чувствительного устройства (например, пикселя), в котором произошло соударение. Х и Y адреса/координаты затем передают на выход ИС в виде двух цифровых байтов.
На фиг.5 показана расчетная кривая колебаний во входном и выходном узлах усилителя тока, управляемого напряжением, показанного на фиг.3 (и 10), при входном заряде 25 е-. Колебания во входном узле показаны как ток стока транзистора М2, а колебания в выходном узле показаны как выходное напряжение VOUT. Колебания показывают переход от работы с замкнутой петлей к работе с разомкнутой петлей обратной связи, в функции опорных токов 5 пА, 10 пА, 20 пА и 50 пА, причем расчет произведен при помощи SPICE™ для 0.25 мкм КМОП технологии. Ток IBIAS и напряжение VREF являются постоянными и одними и теми же для всех расчетов.
На фиг.6 показана расчетная кривая колебаний на выходе транзистора дискриминатора и на выходе узла усилителя тока, управляемого напряжением, для входных зарядов 12.5 е-, 25 е-, 50 е- и 100 е-, создающих напряжение Vout фиг.3 (и 10), причем расчет произведен при помощи SPICE™ для 0.25 мкм КМОП технологии.
На фиг.7 показана расчетная кривая колебаний напряжения на выходе узла усилителя тока, управляемого напряжением, для входного заряда 75 е- и входных токов 2 пА, 5 пА, 10 пА, 20 пА и 50 пА, создающих напряжение Vout фиг.3 (и 10), причем расчет произведен при помощи SPICEТМ для 0.25 мкм КМОП технологии.
На фиг.8 показан график изменения напряжения истока при изменении тока стока, при постоянном напряжении на затворе МОП транзистора обратной связи, работающего при слабой инверсии, для пикселей, показанных на фиг.2А, 3 и 10.
На фиг.9А показан график расчетного шума для SPD пиксельной ячейки, показанной на фиг.2А-3 и 10, в функции емкости входного чувствительного узла.
На фиг.9B показан график расчетного шума для SPD пиксельной ячейки, показанной на фиг.2А-4, в функции опорного тока Iref.
В другом варианте, показанном на фиг.10, изображена интегрирующая структура индивидуального чувствительного устройства, предназначенного для работы в стандартном режиме APS формирования изображения. Этот вариант применим к традиционным APS интегрирующим формирователям сигнала изображения, в которых заряды последовательно интегрируются в чувствительных устройствах (например, в пиксельных ячейках) и последовательно считываются в столбце при помощи аналогового мультиплексора, выполняющего операцию считывания.
Чувствительное устройство 100 фиг.10 содержит чувствительный элемент 12, а также усилитель тока, управляемый напряжением, который содержит два соединенных каскодно транзистора M1 M4 р-типа. Эти транзисторы вместе с полевым МОП-транзистором М2 обратной связи и входным источником тока 18 работают в качестве имеющего высокое усиление усилителя напряжения между входом чувствительного узла и транзистором М13, который действует в качестве истокового повторителя. Чувствительное устройство 100 также имеет токовое зеркало из двух транзисторов М3 и М6 и выходной каскад, который содержит два транзистора М13 и M14. Чувствительный элемент 12 подключен ко входу усилителя M1 M4. Источник тока 18 зеркально отражается при помощи токового зеркала М6 М3 и создает входной ток усилителя 14. Транзистор обратной связи М2 подключен между входом и выходом усилителя M1 M4. Выход усилителя M1 M4 подключен к выходному каскаду М13 M14. Нагрузка постоянного тока на выходе усилителя M1 М4 обеспечена при помощи транзисторов М5, М7 и М9. Ток также подается на транзистор M1 выходного каскада. Выходной сигнал чувствительного устройства 100 получают в виде напряжения со стока другого транзистора М13 выходного каскада. Это отличается от варианта, показанного на фиг.3, где выходной ток отбирают со стока транзистора дискриминатора М8 в выходном каскаде.
Полевой МОП-транзистор обратной связи М2 поддерживается в состоянии очень низкого тока, например 1 фА, так что он почти выключен во время последовательности считывания и интеграции зарядов чувствительного элемента на входе чувствительного узла. Входной чувствительный узел является плавающим в течение периода времени интеграции и считывания, так как входной источник тока выключен в это время.
Как только чувствительный элемент начинает выдавать ток, полевой МОП-транзистор М2 в цепи отрицательной обратной связи выключается, что позволяет каскаду усилителя M1, M4 перейти в состояние высокого усиления с разомкнутой петлей обратной связи. В течение периода времени интеграции полевой МОП-транзистор обратной связи М2 выключен за счет инверсии полярности. При этом операцию мягкого сброса осуществляют за счет подачи постоянного тока на вход источника тока 18, порядка 10 пА, который смещает полевой МОП-транзистор обратной связи М2 в состояние без инверсии полярности и замыкает цепь обратной связи нелинейного трансрезистивного усилителя M1 M4. В этом случае плавающая диффузия чувствительного элемента восстанавливается при постоянном потенциале замкнутой цепи обратной связи усилителя тока, управляемого напряжением M1 M4, без введения kTC шума сброса.
На фиг.11 показан график входного тока, при поступлении одного электрона в каждом импульсе, каждые 500 нс, для входного узла и выходного узла чувствительного устройства фиг.10.
Работа чувствительного устройства, относящегося к типу, показанному на фиг.2А, 3 и 10, при криогенной температуре, позволяет повысить эксплуатационные качества схемы, как это показано на фиг.12, где показан расчет шума в функции рабочей температуры. Работа при криогенной температуре также улучшает накопление заряда электронов в слое кремниевого чувствительного элемента за счет повышения скорости носителей заряда и увеличения времени жизни неосновных носителей. Работа при криогенной температуре также повышает чувствительность нелинейного усилителя и улучшает рабочие условия лавинных фотодиодов.
На фиг.13 показана расчетная кривая для двоичной пиксельной схемы фиг.3, имеющей емкость чувствительного элемента 1.5 фФ и выполненной при помощи 0.25 мкм КМОП технологии, позволяющей обнаруживать при температуре жидкого азота заряд 3 е- (заряд трех электронов).
На фиг.14 показана матрица из 16 пикселей 10 такого же типа, как и пиксель, показанный на фиг.3, 10, образующих макропиксельный прибор. Выходы множества пиксельных ячеек 10 подключены к общей высокоскоростной шине 11, такой как быстрая шина ИЛИ, в результате чего образуется макропиксель. Шина 11 также имеет источник тока 120 для выходных каскадов пикселей 10.
Быстрая шина ИЛИ считывается при помощи логической схемы, которая подает сигнал ИЛИ на периферический оконечный столбец, как это показано на фиг.4.
Один из примеров чувствительного устройства, образованного из пиксельных ячеек, диффундированных в кремниевую подложку специализированной интегральной схемы или полученных иным образом, показан на фиг.15. Это устройство содержит подложку 200 и пассивирующий слой 210, на котором осаждены металлические контакты 215. Слой 230 n-легированного аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) осажден поверх металлических контактов 215. Слой с собственной проводимостью a-Si:H 220 осажден на n-легированный а-Si:H слой 230 и преимущественно покрывает всю подложку 200. Тонкий р-легированный слой 240 может быть диффундирован в верхнюю поверхность слоя с собственной проводимостью a-Si:H 220, причем рисунок верхних электродов 250 образован, например, за счет осаждения поверх р-легированного слоя 240. Этот рисунок может быть общим для всех или по меньшей мере для нескольких пикселей. Толщина a-Si:H подложки 200 составляет от 10 до 30 мкм. Узел специализированной интегральной схемы имеет типичную толщину кремниевой пластины.
В альтернативных вариантах используют другие полупроводниковые материалы вместо a-Si:H для образования pin структуры, например материалы с высоким атомным номером, такие как селен, иодид свинца, теллурид кадмия и иодид ртути. Эти материалы могут непосредственно заменять a-Si:H в структуре, показанной на фиг.15. Чувствительный слой осуществляет прямое преобразование, а полученные электроны собираются при помощи матрицы электродов 215 специализированной интегральной схемы и затем усиливаются и подвергаются обработке в самой специализированной интегральной схеме. Использование материалов с высоким атомным номером является предпочтительным для рентгеновского излучения с высокой энергией, превышающей 5 кэВ, когда кремний не обладает достаточным коэффициентом преобразования. Одним из условий осаждения материалов с высоким атомным номером является температура осаждения ниже 250°С, чтобы избежать повреждения расположенной ниже специализированной интегральной схемы.
Для a-Si:H PIN чувствительной структуры, верхним электродом может быть электрод ITO, если работают в видимой области спектра. Однако могут быть использованы и другие материалы электродов, если регистрируют рентгеновские фотоны или частицы.
Еще один пример чувствительного элемента, интегрированного на подложке, который содержит схему считывания, такую как усилитель, цепь обратной связи и токовое зеркало фиг.2, 3 или 10, показан на фиг.18. Этот чувствительный элемент 500 представляет собой структуру лавинного фотодиода на подложке 501, и содержит р+ слой 502 поверх подложки, действующий в качестве анодного контакта, с лежащей сверху обедненной областью 503 нейтрального заряда, причем р слой 505 образован в кармане в обедненной области и окружен сверху и по бокам слоем 506, так что р и n слои образуют р-n переход. Оксидный слой 508 образует окно для входящих фотонов, а смещение создают при помощи катодного соединения 520, которым может быть металлизация, поликремневая линия или другое известное специалистам соединение. Могут быть использованы и другие структуры специализированной интегральной схемы, например, содержащие кольца.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором чувствительное устройство представляет собой пиксельный чувствительный элемент, матрица из 64 пикселей, показанная на фиг.3, может быть устроена таким образом, чтобы образовать макропиксель, как это показано на фиг.16А и 16B. Макропиксель 290 содержит матрицу из 64 пикселей 300, причем каждый пиксель 300 подключен к бистабильной выходной схеме 310, которая подключает источник тока к общей шине 320. Выход шины 320 затем может быть уплотнен с использованием мультиплексора 330 и объединен с выходами других аналогичных матриц, чтобы получить чувствительный прибор (элемент) с большой площадью. После завершения считывания шины 320 происходит сброс бистабильной схемы 310.
На фиг.17 показан чувствительный элемент 350 с большой площадью, а типично вся подложка, на которой расположены матрицы 300 такого же типа, как и матрица, показанная на фиг.16А.
Как уже было упомянуто здесь ранее, в вариантах, показанных на фиг.16А, 16B и 17, выход каждого пикселя 301 подключен к отдельной бистабильной схеме 310. Выход каждой бистабильной схемы 310 управляет источником тока 315, который подключен к местной шине 320, соединяющей пиксели 300 с образованием макропикселя 290. Когда происходит соударение, вызванное рентгеновским фотоном, бистабильная схема 310, подключенная к испытавшему соударение пикселю, переключается в состояние 1 и включает соединенный с ней источник тока 315. Всякий раз, когда происходит соударение в области макропикселя, одна из бистабильных схем 310 будет включаться и повышать уровень тока на шине 320 макропикселя. По истечении времени считывания происходит считывание токов макропикселя, аналогично считыванию в стандартных схемах считывания APS структуры, при помощи аналогового мультиплексирования. По завершении считывания производят общий сброс всех пиксельных ячеек, в результате чего уровень тока на шине 320 макропикселя становится равным нулю, и вновь начинают новый цикл считывания.
В двоичных схемах, таких как схема, показанная на фиг.4, считывание индивидуальных пикселей при плотности пикселей 1 миллион на см2 может вызывать серьезные проблемы. Более того, следует иметь в виду, что в большинстве медицинских применений требуется использование пикселей с размерами от 50 мкм до 100 мкм, а не 10 мкм, как для пикселей в соответствии с настоящим изобретением. Заявители пришли к выводу, что объединение матриц из 10 пикселей для образования макропикселя 290 является новым и патентоспособным решением. Макропиксель 400, показанный на фиг.17, особенно полезен в НЕР (неоднородная мультипроцессорная система) и медицинских применениях, причем множество матриц макропикселей 290 могут быть встроены в подложку 400.
Дополнительное преимущество формирования макропикселей в соответствии с ранее описанным и показанным на фиг.16А, 16B и 17 заключается в том, что можно встраивать в подложку 410 чувствительные элементы с большой площадью, как это показано на фиг.17. Пластина 410 может иметь диаметр 8 дюймов, при этом на ней может быть образован в виде матрицы пикселей 290 чувствительный элемент (прибор) с площадью 14 см2. В этом варианте уровень межсоединений может быть образован поверх обработанной подложки, ранее осаждения аморфного Si:H.
Дополнительное преимущество этого варианта заключается в том, что если имеются технологические дефекты, вызванные не 100% выходом годных элементов, то они локализованы в одном пикселе и приводят к выходу из строя только этот пиксель, но не весь макропиксель. Это приводит только к снижению эффективности устройств, но не способности устройства выполнять свою функцию. Для агрегата из 100 пикселей по 10 мкм в макропикселе размером 100 мкм один дефект в зоне макропикселя размером 100 мкм будет снижать эффективность только на 1%. Таким образом, даже если один пиксель выходит из строя, то макропиксельное устройство все еще остается работоспособным, несмотря на то что происходит небольшое снижение его эффективности.
Несмотря на то что были подробно описаны различные специфические варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения. В частности, питающее напряжение может быть другим. Кроме того, прогресс в области полупроводниковой промышленности позволит получить более глубокие субмикронные технологии, которые при их применении в устройствах в соответствии с настоящим изобретением позволят снизить паразитную емкость, повысить чувствительность и снизить потребляемую мощность. Более глубокие субмикронные КМОП технологии позволят повысить чувствительность схем в соответствии с настоящим изобретением до такого уровня, что станет возможным производить усиление сигнала одного электрона и его дискриминацию.
Более того, следует иметь в виду, что приведенные в описании варианты основаны на идеализированной работе схем при компьютерном моделировании и на известной глубокой субмикронной КМОП технологии, поэтому относительно малые вариации не должны оказывать существенного влияния на работу схем, показанных на приложенных фиг.2А-4, 10 и 16А.
В заключение можно сказать, что настоящее изобретение применимо к области твердотельных чувствительных к излучению элементов, к монолитной интеграции активных пиксельных чувствительных элементов (APS), а более конкретно к области формирования изображений и к обнаружению единичного фотона и обнаружению одиночной частицы (SPD). Схема обработки сигнала активного пиксельного чувствительного элемента (APS) позволяет производить обработку сигналов от множества электронов, получаемых от пиксельного чувствительного к излучению элемента, интегрированного в монолитной интегральной схеме, спроектированной с использованием промышленных глубоких субмикронных КМОП технологий. Схема считывания представляет собой специализированную интегральную схему, которая производит быстрое усиление сигнала и быструю дискриминацию сигнала, при помощи ячейки из 12 полевых МОП-транзисторов 250 нВт, которая объединена с каждым пиксельным чувствительным к излучению элементом. Каждый пиксельный чувствительный элемент содержит либо р-n переход в объеме кремниевой подложки, либо PIN диод, образованный в тонкой пленке гидрогенизированного аморфного кремния, осажденной сверху на специализированную интегральную схему. При считывании пиксельной схемы получают быстрый логический сигнал или быстрый аналоговый сигнал при каждом столкновении фотона или заряженной частицы с чувствительным элементом. Это происходит без использования дополнительных периферических схем обработки.
Более того, один или несколько вариантов настоящего изобретения позволяют осуществлять обнаружение одиночной частицы (SPD) и эффективно работать как квантовое устройство, позволяющее индивидуально обнаруживать каждый падающий квант. В различных вариантах настоящего изобретения предложены весьма чувствительные устройства, которые являются компактными и потребляют очень малую мощность.
Вариант схемы работает за счет интеграции как стандартный APS, но с внутренним усилением пикселя около 1000. Различные схемы считывания вместе с соответствующими пиксельными чувствительными элементами, имеющие типичные размеры от 5 мкм × 5 мкм до 30 мкм × 30 мкм, могут быть сгруппированы вместе за счет использования единственной аналоговой или цифровой шины, с образованием макропикселя, выполненного с учетом требующегося пространственного разрешения и желательно формы пикселя. Информация с макропикселя, как аналоговая, так и цифровая, может быть получена индивидуально при помощи логики синхронного считывания с адресуемыми столбцами или при помощи логики асинхронного считывания, или же при помощи аналогового мультиплексора, аналогично тому, как это делают в стандартных КМОП APS формирователях сигналов изображения.
При использовании описанных вариантов настоящего изобретения специалисты в данной области могут предложить другие варианты, в которых используется концепция настоящего изобретения. Однако такие варианты не выходят за рамки настоящего изобретения, которое ограничено не описанными вариантами, а только формулой изобретения.
I. Глоссарий символов
- kTC шум, который также называют шумом сброса (возврата в исходное положение), представляет собой шум, связанный с операцией сброса в APS схемах, КМОП формирователях сигналов изображения и ПЗС устройствах. В известном устройстве, показанном на фиг.1, всякий раз при завершении цикла считывания входного чувствительного узла S, затвор транзистора F1 сбрасывается при помощи транзистора сброса F2 до опорного напряжения, которое подается на затвор F2. Эта операция генерирует шум Vn во входном чувствительном узле, на затворе F1, в соответствии с выражением Vn2=kT/CIN, в котором СIN представляет собой входную емкость. Vn растет при снижении CIN. Это создает серьезные проблемы в имеющих высокую плотность APS пиксельных схемах. В соответствии с настоящим изобретением предлагается решение этой проблемы за счет устранения шума сброса.
- ENC (ENCp для параллельного шума, ENCs для последовательного шума): Эквивалентный шумовой заряд, который представляет собой среднеквадратический заряд, обычно выраженный в среднеквадратических электронах, который следует подать на вход усилительного канала, чтобы получить выходной шум, равный шуму, создаваемому внутренними физическими источниками шума усилительного канала. Отношение входного сигнал к ENC дает отношение сигнал-шум, которое является основным показателем чувствительности канала.
- Ut=kT/q представляет собой напряжение тепловых шумов, составляющее около 25.6 мВ, в котором k является постоянной Больцмана 1.381·10-23 Дж/К, Т является абсолютной температурой по Кельвину (300 К для комнатной температуры), q является электронным зарядом 1.602·10-19 См.
- С′′ох представляет собой единичную емкость оксида затвора МОП транзистора. Обычно эта емкость составляет 5 фФ/мкм для 0,25 мкм КМОП технологии, использованной в соответствии с настоящим изобретением.
- C′ox представляет собой емкость оксида затвора на единицу площади МОП транзистора. Эта емкость также составляет 5 фФ/мкм для 0,25 мкм КМОП технологии, использованной в соответствии с настоящим изобретением. Знаками ′′, и ′ обозначают нормированные единицы.
- n представляет собой коэффициент крутизны МОП транзистора, равный
в котором поверхностный потенциал Ψo≈2ФF+3UT, где ФF представляет собой потенциал Ферми, а
в котором NSUB представляет собой концентрацию легирования подложки, εsi представляет собой диэлектрическую проницаемость кремния, равную 1.04·10-11 Ф/м, a Vp представляет собой наклон напряжения выключения МОП транзистора.
- μ представляет собой подвижность носителей заряда.
- W представляет собой ширину затвора МОП транзистора, определяемую конструкцией.
- L представляет собой длину затвора МОП транзистора, определяемую конструкцией.
- СOUT представляет собой выходную емкость выходного узла в соответствии с настоящим изобретением, в месте соединения входной ветви с ветвью нагрузки.
- СIN представляет собой емкость входного чувствительного узла.
- VT представляет собой пороговое напряжение МОП транзистора.
- gm (также gmf и gmi) представляет собой крутизну характеристики прямой передачи МОП транзистора, причем крутизна характеристики затвора при слабой инверсии определяется выражением gm=ID/nUT, а крутизна характеристики источника определяется выражением gms=ID/UT.
- Tm представляет собой время пика формирования импульсов усилительного канала.
II. Глоссарий терминов и обозначения компонентов на чертежах
Т1 Транзистор обратной связи на фиг.2В
Т2 Входной источник тока на фиг.2В
Т3 Токовое зеркало, контролирующее Т2 на фиг.2В
Т4 Транзистор дискриминатора на фиг.2В
M1 Входной транзистор на фиг.3
М2 Транзистор обратной связи на фиг.3
М3 Входной источник тока на фиг.3
М4 Каскодный транзистор входной ветви на фиг.3
М5 Ветвь нагрузки на фиг.3
М6 Токовое зеркало, контролирующее входной источник тока М3 на фиг.3
М7 Каскодный транзистор выходной ветви нагрузки на фиг.3
М8 Транзистор дискриминатора ветви Х
М9 Транзистор токового зеркала ветви нагрузки
M10 Каскодный транзистор ветви Х
M11 Транзистор дискриминатора ветви Y
M12 Каскодный транзистор ветви Y
М13 Транзистор выходного истокового повторителя фиг.10
М14 Выходной источник тока фиг.10
Пиксельной чувствительной ячейкой 12 называют четыре типа чувствительных элементов (a-Si:H PIN диод, P-N диффузионный переход, APD P-N диффузионный переход и аморфный селеновый слой).
- Входной чувствительный узел, который для двоичной структуры фиг.3 представляет собой общее соединение N электрода пиксельной чувствительной ячейки со стоком транзистора М3 входного источника тока, с затвором входного транзистора M1 и со стоком транзистора обратной связи М2.
- Входная ветвь состоит из транзисторов М1-М4.
- Ветвь нагрузки состоит из транзисторов М5-М7.
- Выходная ветвь Х дискриминатора состоит из транзисторов М8-М10.
- Выходная ветвь Y дискриминатора состоит из транзисторов M11-M12.
- VREF - опорное напряжение на фиг.2А, фиг.2В и фиг.3, которое задает рабочую точку выходных ветвей Х и Y.
- IREF - опорный ток на фиг.2А, фиг.2В и фиг.3.
- IBIAS - ток смещения входной ветви и ветви нагрузки через транзистор М9 токового зеркала.
- QDET - входной заряд, генерируемый частицей, которая сталкивается с пиксельной чувствительной ячейкой.
- IDO - ток покоя во входной ветви и ветви нагрузки, практически равный току смещения (току зеркала).
В изобретении предлагается чувствительный прибор (ЧП) для обнаружения заряженных частиц и/или квантов электромагнитного излучения. Технический результат заключается в снижении емкости соединения и упрощении сборки при соединении датчика и усилителя (У). ЧП имеет чувствительное устройство (ЧУ) (12) и схему У (14); (M1, M4). ЧУ (12) подает сигнал на входной узел Vin У (14); (M1, M4), чтобы вызвать изменение уровня Vout на выходном узле У (14). Устройство отрицательной обратной связи (ОС) (T1); (M2) в ответ на изменение уровня на выходном узле изменяет воздействие ОС, чтобы повысить петлевое усиление указанной схемы У (14); (M1, M4). Токовое зеркало (Т2, Т3); (М3, М6) повторно устанавливает входной узел в состояние его начального уровня. В изобретении раскрыт ЧП для обнаружения одиночной частицы и интегрирующий ЧП. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 21 ил.
