ФОТОПРИЕМНАЯ ЯЧЕЙКА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ ЦВЕТОВ Российский патент 2009 года по МПК H01L31/04 

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в видеокамерах и фотоаппараторах высокого разрешения, использующих цифровую обработку для оптимизации сигналов.

Известна фотоприемная ячейка с вертикальным разделением цветов и накоплением зарядов, генерированных в ячейке, описанная в US Patent 7132724 Bl, Nov.7, 2006, R.B.Merrill, "Complete-Charge-Transfer Vertical Color Detector", и принятая за прототип.

В патенте описывается устройство фотоприемной ячейки, содержащей схему считывания, детекторы голубой, зеленой и красной составляющих принимаемого излучения, выполненные в полупроводниковой структуре, имеющие горизонтальные области первого типа проводимости, расположенные на первой, второй и третьей глубинах по отношению к поверхности структуры, соответственно оптимизированных по максимальному поглощению голубой, зеленой и красной составляющих излучения, соединенные через p-n переходы областями первого и/или второго, противоположного первому, типа проводимости с приповерхностными областями второго типа проводимости, окруженные областями первого типа проводимости с распределением концентрации примеси, создающим потенциальный барьер для распространения в них неосновных носителей тока.

Однако указанное устройство имеет недостатки:

- накопительные емкости и, следовательно, динамический диапазон детекторов либо очень малы, если p-n переходы расположены у поверхности, либо зависят от глубины, т.е. от цвета, в случае глубинных p-n переходов;

- структура детекторов имеет большое количество слоев, формирование которых требует нескольких эпитаксиальных наращиваний или глубоких высокоэнергетических имплантаций, что делает технологию ее изготовления отличной от стандартной и дорогой.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение и/или выравнивание динамического диапазона детекторов, упрощение технологии и, следовательно, снижение стоимости.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном устройстве фотоприемной ячейки, содержащем схему считывания, детекторы голубой, зеленой и красной составляющих принимаемого излучения, выполненные в полупроводниковой структуре, имеющие горизонтальные области первого типа проводимости, расположенные на первой, второй и третьей глубинах по отношению к поверхности структуры, соответственно оптимизированных по максимальному поглощению голубой, зеленой и красной составляющих излучения, соединенные через p-n переходы областями первого и/или второго, противоположного первому, типа проводимости с приповерхностными областями второго типа проводимости, окруженные областями первого типа проводимости с распределением концентрации примеси, создающим потенциальный барьер для распространения в них неосновных носителей тока, предложено:

- ввести дополнительные области второго типа проводимости, расположенные вне облучаемых областей, примыкающие на любой из глубин к указанным областям второго типа проводимости,

- горизонтальную область, расположенную на третьей глубине, выполнить в общем для всех ячеек слое на подложке первого типа проводимости.

Увеличение динамического диапазона достигается благодаря увеличению накопительных емкостей p-n переходов за счет присоединения к областям второго типа проводимости, являющимся соединительными, дополнительных областей второго типа проводимости на любой из технологически доступных глубин, увеличивающих площади p-n переходов и, следовательно, их емкости, без увеличения площади ячейки.

При использовании общего для всех ячеек слоя на подложке первого типа проводимости в качестве горизонтальных областей, в которых генерируются носители красной компоненты излучения, технология упрощается, приближаясь к стандартной, стоимость изготовления снижается. Ухудшение пространственно-частотной характеристики красной компоненты из-за отсутствия изоляции и сбора носителей в ячейку с третьей глубины от группы соседних ячеек корректируется при цифровой обработке сигналов матричного фотоприемника, использующей корреляцию между цветовыми компонентами.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение:

Фиг.1 иллюстрирует известное устройство (прототип).

Фиг.2 иллюстрирует предлагаемое устройство.

Фотоприемная ячейка с вертикальным разделением цветов состоит (см. фиг.2) из схемы считывания (1), детекторов голубой, зеленой и красной составляющих принимаемого излучения, выполненных в полупроводниковой структуре, имеющих горизонтальные области (2, 3, 4) первого типа проводимости (p-тип), расположенные соответственно на первой, второй и третьей глубинах по отношению к поверхности структуры, соответственно оптимизированных по максимальному поглощению голубой, зеленой и красной составляющих излучения, соединенные через p-n переходы (5, 6, 7) областями (8, 9, 10) второго, противоположного первому, типа проводимости (n-тип) с приповерхностными областями (11, 12, 13) второго типа проводимости, окруженные областями (14, 15) первого типа проводимости с распределением концентрации примеси, создающим потенциальный барьер для распространения в них неосновных носителей тока, а к областям (8, 9, 10) второго типа проводимости примыкают на любой из перечисленных глубин дополнительные области (17, 18, 19) второго типа проводимости, расположенные вне облучаемых областей (20), причем горизонтальная область (4), расположенная на третьей глубине, выполнена в общем для всех ячеек слое на подложке первого типа проводимости (21).

Ячейка работает следующим образом.

Излучение, проникая в вертикальную структуру в соответствии с коэффициентом поглощения его спектральных составляющих, создает в ней неосновные носители тока. Голубая составляющая поглощается в верхней части структуры, зеленая - в середине, а красная - в нижней. Неосновные носители - электроны, созданные излучением в двух верхних р-областях (2, 3), будучи зажатыми окружающим их потенциальным барьером р-областей (14, 15), распространяются благодаря дрейфу и диффузии к соответствующим p-n переходам (5, 6), втягиваются полем p-n переходов в n-области: (17, 8, 11) - голубые, (18, 9, 12) - зеленые, красные же собираются n-областями (19, 10, 13) из-под четырех ячеек. За время накопления заряды и соответственно напряжения n-областей изменяются. Эти изменения напряжений затем считываются схемой считывания (1). Сигналы с «красного» вывода, интегрированные от группы соседних ячеек, корректируются при цифровой обработке сигналов матричного фотоприемника. При этом используется пространственно-частотная корреляция между цветовыми компонентами.

Дополнительные области (17, 18, 19), введенные согласно изобретению, увеличивают линейный диапазон изменений (динамический диапазон) и выравнивают их значения.

Использование общего для всех ячеек слоя (4) на подложке первого типа проводимости в качестве горизонтальных областей, в которых генерируются носители красной компоненты излучения, упрощает технологию. Она приближается к стандартной, стоимость изготовления снижается.

Настоящее описание изобретения, в т.ч. состава и работы устройства, включая предлагаемый вариант его исполнения, предполагает его дальнейшее возможное совершенствование специалистами и не содержит каких-либо ограничений в части реализации. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в видеокамерах и фотоаппаратурах высокого разрешения, использующих цифровую обработку для оптимизации сигналов. Фотоприемная ячейка с вертикальным разделением цветов содержит схему считывания, детекторы голубой, зеленой и красной составляющих принимаемого излучения, выполненные в полупроводниковой структуре, имеющие горизонтальные области первого типа проводимости, расположенные на первой, второй и третьей глубинах по отношению к поверхности структуры, соответственно оптимизированных по максимальному поглощению голубой, зеленой и красной составляющих излучения, соединенные через p-n переходы областями первого и/или второго, противоположного первому, типа проводимости с приповерхностными областями второго типа проводимости, окруженные областями первого типа проводимости с распределением концентрации примеси, создающим потенциальный барьер для распространения в них неосновных носителей тока. При этом горизонтальная область, расположенная на третьей глубине, выполнена в общем для всех ячеек слое на подложке первого типа проводимости, а к областям второго типа проводимости примыкают на любой из глубин дополнительные области второго типа проводимости, расположенные вне облучаемых областей. Настоящее изобретение обеспечивает увеличение и/или выравнивание динамического диапазона детекторов, упрощение технологии и, следовательно, снижение стоимости. 2 ил.

Фотоприемная ячейка с вертикальным разделением цветов, содержащая схему считывания, детекторы голубой, зеленой и красной составляющих принимаемого излучения, выполненные в полупроводниковой структуре, имеющие горизонтальные области первого типа проводимости, расположенные на первой, второй и третьей глубинах по отношению к поверхности структуры, соответственно оптимизированных по максимальному поглощению голубой, зеленой и красной составляющих излучения, соединенные через p-n переходы областями первого и/или второго, противоположного первому, типа проводимости с приповерхностными областями второго типа проводимости, окруженные областями первого типа проводимости с распределением концентрации примеси, создающим потенциальный барьер для распространения в них неосновных носителей тока, отличающаяся тем, что горизонтальная область, расположенная на третьей глубине, выполнена в общем для всех ячеек слое на подложке первого типа проводимости, а к областям второго типа проводимости примыкают на любой из глубин дополнительные области второго типа проводимости, расположенные вне облучаемых областей.