RU175334U1

RU175334U1 - Matrix photodetector

Info

Publication number: RU175334U1
Application number: RU2017123735U
Authority: RU
Inventors: Вера Леонидовна Жбанова; Валерий Павлович Мешалкин; Максим Иосифович Дли; Владимир Иванович Бобков
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Использование: для производства интегральных многоэлементных матричных фотоприемников.Сущность полезной модели заключается в том, что матричный фотоприемник содержит подложку p-типа, на которой расположена группа ячеек, выполненная в виде первой и второй ячеек, чередующихся между собой в шахматном порядке, на поверхности первой ячейки расположен первый электрод, на поверхности второй ячейки расположен второй электрод, при этом первая ячейка содержит две зоны проводимости, а именно слой В p-типа с потенциальной ямой для заряда синих оттенков спектра, находящийся в непосредственном контакте со слоем R n-типа с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой p-типа, при этом слой В p-типа расположен на расстоянии от 0,15 до 0,3 мкм от поверхности подложки p-типа, слой R n-типа расположен на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки p-типа, вторая ячейка содержит две зоны проводимости, а именно слой G p-типа с потенциальной ямой для заряда зеленых оттенков спектра, находящийся в непосредственном контакте со слоем R n-типа с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой p-типа, при этом слой G p-типа расположен на расстоянии от 0,55 до 0,7 мкм от поверхности подложки p-типа, слой R n-типа 12 расположен на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки p-типа.Технический результат: обеспечение возможности улучшения пространственно-частотной характеристики матричного фотоприемника по красному цвету. 4 ил.Usage: for the production of integrated multi-element matrix photodetectors. The essence of the utility model is that the matrix photodetector contains a p-type substrate on which there is a group of cells made in the form of the first and second cells, alternating in a checkerboard pattern, on the surface of the first cell the first electrode is located, the second electrode is located on the surface of the second cell, while the first cell contains two conduction zones, namely, a p-type layer B with a potential well for blue charge spectra, which is in direct contact with the n-type R layer with a potential well for charging red shades of the spectrum, which, in turn, is in direct contact with the p-type substrate, while the p-type layer B is located at a distance from 0 , 15 to 0.3 μm from the surface of the p-type substrate, the n-type R layer is located at a distance of 1.7 to 2.5 μm from the surface of the p-type substrate, the second cell contains two conduction zones, namely, the layer G p -type with a potential well for the charge of green shades of the spectrum, located in direct contact with an n-type R layer with a potential well for charging red shades of the spectrum, which, in turn, is in direct contact with the p-type substrate, while the p-type layer G is located at a distance of 0.55 to 0.7 μm from the surface of the p-type substrate, the layer of n-type R 12 is located at a distance of 1.7 to 2.5 μm from the surface of the p-type substrate. Technical result: providing the possibility of improving the spatial-frequency characteristics of the matrix photodetector in red. 4 ill.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к микроэлектронике, в частности к производству интегральных многоэлементных матричных фотоприемников.The proposed utility model relates to microelectronics, in particular, to the production of integrated multi-element array photodetectors.

Известен матричный фотоприемник с системой цветоделения (патент US № 5965875, публ. 12.10.1999, МПК G01J 3/50 «Color separation in an active pixel cell imaging array using a triple-well structure»), содержащий слоистую кремниевую ячейку, изготовленную на стандартных комплементарных металлооксидных полупроводниках, с тремя слоями: слой R, слой G и слой В. Три разделенных p-n перехода залегают на различных глубинах на поверхности кремния и используются для разделения электронно-дырочной пары, которые образуются в результате естественных свойств кремния. Слои расположены друг над другом, чередуясь по типу основных носителей (n-типа и p-типа). Каждый следующий слой образует новую потенциальную яму - в зависимости от слоя для электронов либо для «дырок»). Так одна ячейка содержит подложку, в которой размещен слой полупроводника с потенциальной ямой накапливания зарядов от фонов красного спектра (R), поверх него нанесен слой полупроводника с потенциальной ямой накапливания зарядов от фонов зеленого спектра (G), поверх которого нанесен слой полупроводника с потенциальной ямой накапливания зарядов от фонов синего спектра (В). Толщина и материал слоя выбраны такими, что разделение проникающих фотонов происходит по тем диапазонам спектра, которые содержат основные цвета: слой R толщиной 2,0 мкм, слой G толщиной 0,6 мкм, слой В толщиной 0,2 мкм. Данное устройство основано на применении физического явления в самом проводнике: с увеличением длины волны глубина проникновения фотонов в полупроводник возрастает. Таким образом, для улавливания фотонов голубого, зеленого и красного цветов, фотодиоды, созданные чередованием зон проводимости первого и второго типа, размещены один под другим на определенных глубинах.Known matrix photodetector with a color separation system (US patent No. 5965875, publ. 12.10.1999, IPC G01J 3/50 "Color separation in an active pixel cell imaging array using a triple-well structure"), containing a layered silicon cell made on standard complementary metal oxide semiconductors, with three layers: layer R, layer G and layer B. Three separated pn junctions lie at different depths on the silicon surface and are used to separate the electron-hole pair, which are formed as a result of the natural properties of silicon. The layers are arranged one above the other, alternating in the type of main carriers (n-type and p-type). Each next layer forms a new potential well - depending on the layer for electrons or for “holes”). So one cell contains a substrate in which a layer of a semiconductor with a potential well of accumulating charges from the backgrounds of the red spectrum (R) is placed, on top of it is a layer of a semiconductor with a potential well of accumulating charges from the backgrounds of the green spectrum (G), over which a layer of a semiconductor with a potential well is deposited the accumulation of charges from the backgrounds of the blue spectrum (B). The thickness and material of the layer are chosen such that the separation of penetrating photons occurs in those spectral ranges that contain the main colors: layer R with a thickness of 2.0 μm, layer G with a thickness of 0.6 μm, layer B with a thickness of 0.2 μm. This device is based on the use of a physical phenomenon in the conductor itself: with increasing wavelength, the depth of penetration of photons into the semiconductor increases. Thus, to capture photons of blue, green and red colors, photodiodes created by the alternation of conduction zones of the first and second types are placed one below the other at certain depths.

Недостатками данного технического решения являются небольшой динамический диапазон, поскольку наложение трех слоев ограничивает размеры потенциальных ям, а также низкая чувствительность матричного фотоприемника, так как при распределении фотонов по трем слоям часть их неизбежно поглощается при переходе из одного слоя в другой.The disadvantages of this technical solution are the small dynamic range, since the imposition of three layers limits the size of potential wells, as well as the low sensitivity of the matrix photodetector, since when distributing photons across three layers, some of them are inevitably absorbed when moving from one layer to another.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является матричный фотоприемник (Жбанова В.Л., Мартыненко Г.В. Функции передачи модуляции интерполяции цвета модифицированных матричных фотоприемников // Известия ТулГУ. Технические науки. ISSN 2071-6168. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 299 с. С. 105-110), содержащий подложку p-типа, на которой расположены чередующиеся в шахматном порядке первый и второй виды ячеек. При этом первый вид ячейки выполнен как фотодиод, созданный чередованием зон проводимости первого и второго типа в виде слоя полупроводника R n-типа, расположенного от поверхности подложки на расстоянии 2,0 мкм и потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра, и расположенный над ним слой полупроводника В p-типа, находящийся с ним в непосредственном контакте и расположенный от поверхности подложки на расстоянии 0,2 мкм и потенциальной ямой для заряда синих оттенков спектра. Второй вид ячейки выполнен как фотодиод в виде слоя полупроводника G n-типа, расположенного в подложке p-типа на расстоянии 0,6 мкм от ее поверхности и находящегося с ней в непосредственном контакте и потенциальной ямой для заряда зеленых оттенков спектра. Каждый слой образует новую потенциальную яму (для электронов или для «дырок»).The closest in technical essence to the claimed utility model is a matrix photodetector (Zhbanova V.L., Martynenko G.V. Functions for transmitting modulation interpolation of color of modified matrix photodetectors // Izvestiya TulGU. Engineering. ISSN 2071-6168. Issue 2. - Tula: TulSU Publishing House, 2013. 299 p. S. 105-110) containing a p-type substrate on which the first and second types of cells are alternating in a checkerboard pattern. In this case, the first type of cell is made as a photodiode created by the alternation of conduction zones of the first and second type in the form of an n-type semiconductor layer located at a distance of 2.0 μm from the substrate surface and a potential well for the charge of red shades of the spectrum, and a layer located above it p-type semiconductor, in direct contact with it and located from the surface of the substrate at a distance of 0.2 μm and a potential well for the charge of the blue shades of the spectrum. The second type of cell is made as a photodiode in the form of an n-type semiconductor layer G located in a p-type substrate at a distance of 0.6 μm from its surface and in direct contact with it and a potential well for the charge of green tones of the spectrum. Each layer forms a new potential well (for electrons or for “holes”).

Недостатком настоящего технического решения является низкая функция передачи модуляции при интерполяции всех цветов на 50%, и как результат - низкая пространственно-частотная характеристика матричного фотоприемника.The disadvantage of this technical solution is the low modulation transmission function during interpolation of all colors by 50%, and as a result, the low spatial-frequency characteristic of the matrix photodetector.

Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в улучшении функций передачи модуляции матричного фотоприемника при интерполяции цвета в области красных оттенков до 100%.The technical problem, which the proposed utility model is aimed at, is to improve the transmission functions of the modulation of the matrix photodetector with color interpolation in the red shades up to 100%.

Технический результат заключается в улучшении пространственно-частотной характеристики матричного фотоприемника по красному цвету.The technical result consists in improving the spatial-frequency characteristics of the matrix photodetector in red.

Это достигается тем, что в известном матричном фотоприемнике, содержащем подложку p-типа, на которой расположена группа ячеек, выполненная в виде первой и второй ячеек, чередующихся между собой в шахматном порядке, на поверхности первой ячейки расположен первый электрод, на поверхности второй ячейки расположен второй электрод, при этом первая ячейка содержит две зоны проводимости, а именно слой В p-типа с потенциальной ямой для заряда синих оттенков спектра, находящийся в непосредственном контакте со слоем R n-типа с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой, при этом слой В p-типа расположен на расстоянии от 0,15 до 0,3 мкм от поверхности подложки, слой R n-типа расположен на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки, вторая ячейка выполнена в виде двух зон проводимости и содержит слой G p-типа с потенциальной ямой для заряда зеленых оттенков спектра, находящийся в непосредственном контакте со слоем R n-типа с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой, при этом слой G p-типа расположен на расстоянии от 0,55 до 0,7 мкм от поверхности подложки, слой R n-типа расположен на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки.This is achieved by the fact that in the known matrix photodetector containing a p-type substrate, on which a group of cells is arranged, made in the form of the first and second cells, alternating in a checkerboard pattern, the first electrode is located on the surface of the first cell and located on the surface of the second cell the second electrode, while the first cell contains two conduction zones, namely a p-type layer B with a potential well for charging blue shades of the spectrum, which is in direct contact with an n-type layer R with a potential well for a series of red shades of the spectrum, which, in turn, is in direct contact with the substrate, while the p-type layer B is located at a distance of 0.15 to 0.3 μm from the substrate surface, the n-type layer R is located at a distance from 1.7 to 2.5 μm from the substrate surface, the second cell is made in the form of two conduction zones and contains a p-type layer G with a potential well for charging green shades of the spectrum, which is in direct contact with the n-type layer R with a potential well for charge of the red shades of the spectrum, which, in turn, is in direct contact with the substrate, while the p-type layer G is located at a distance of 0.55 to 0.7 μm from the surface of the substrate, the n-type layer R is located at a distance of 1.7 to 2.5 μm from the surface of the substrate .

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены ячейки предлагаемого матричного фотоприемника (вид в разрезе), на фиг. 2 представлен предлагаемый матричный фотоприемник (вид сверху), на фиг. 3 показаны кривые функции передачи модуляции при интерполяции цвета предлагаемого матричного фотоприемника, на фиг. 4 показаны кривые функции передачи модуляции при интерполяции цвета матричного фотоприемника по прототипу.The essence of the proposed utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the cells of the proposed matrix photodetector (sectional view), FIG. 2 shows the proposed matrix photodetector (top view), in FIG. 3 shows the curves of the modulation transfer function during color interpolation of the proposed matrix photodetector, FIG. 4 shows the curves of the modulation transfer function during color interpolation of the matrix photodetector according to the prototype.

Матричный фотоприемник содержит подложку p-типа 1, на которой расположена группа ячеек, выполненная в виде первой 2 и второй 3 ячеек, чередующихся между собой в шахматном порядке. На поверхности первой ячейки 2 расположен первый электрод 4, на поверхности второй ячейки 3 расположен второй электрод 5. При этом первая ячейка 2 содержит две зоны проводимости, а именно слой В p-типа 6 с потенциальной ямой для заряда синих оттенков спектра 7, находящийся в непосредственном контакте со слоем R n-типа 8 с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра 9, который в свою очередь находится в непосредственном контакте с подложкой p-типа 1. При этом слой В p-типа 6 расположен на расстоянии от 0,15 до 0,3 мкм от поверхности подложки p-типа 1, слой R n-типа 8 расположен на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки p-типа 1. Вторая ячейка 3 содержит две зоны проводимости, а именно слой G p-типа 10 с потенциальной ямой для заряда зеленых оттенков спектра 11, находящийся в непосредственном контакте со слоем R n-типа 12 с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра 13, который в свою очередь находится в непосредственном контакте с подложкой p-типа 1. При этом слой G p-типа 10 расположен на расстоянии от 0,55 до 0,7 мкм от поверхности подложки p-типа 1, слой R n-типа 12 расположен на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки p-типа 1.The matrix photodetector contains a p-type substrate 1, on which there is a group of cells made in the form of the first 2 and second 3 cells alternating in a checkerboard pattern. The first electrode 4 is located on the surface of the first cell 2, the second electrode 5 is located on the surface of the second cell 3. In this case, the first cell 2 contains two conduction zones, namely, p-type 6 layer B with a potential well for the charge of blue shades of spectrum 7, located in in direct contact with the n-type R layer 8 with a potential well for the redshift charge of spectrum 9, which in turn is in direct contact with the p-type substrate 1. The p-type 6 layer B is located at a distance from 0.15 to 0.3 μm from the surface of the p-type substrate PA 1, the n-type R layer 8 is located at a distance of 1.7 to 2.5 μm from the surface of the p-type substrate 1. The second cell 3 contains two conduction zones, namely, the p-type 10 layer G with a potential well for charge green shades of spectrum 11, which is in direct contact with the n-type R layer 12 with a potential well for charging red shades of spectrum 13, which in turn is in direct contact with p-type substrate 1. In this case, p-type 10 layer G at a distance of 0.55 to 0.7 μm from the surface of the p-type substrate 1, the n-type R layer 12 is located at Toyan from 1.7 to 2.5 micrometers from the substrate surface of p-type one.

К каждому слою (и к подложке 1) подведен отдельный металлический контакт по стандартной технологии, с помощью которого можно выводить соответствующий фотосигнал. При этом первая 2 и вторая 3 ячейки маскированы оксидом кремния по стандартной технологии. Обе ячейки выполнены на основе слоистого кремния. Первый 4 и второй 5 электроды выполнены из поликристаллического кремния прозрачного для фотонов толщиной 0,2 мкм.Each layer (and substrate 1) has a separate metal contact according to standard technology, with which you can output the corresponding photo signal. In this case, the first 2 and second 3 cells are masked by silicon oxide according to standard technology. Both cells are made on the basis of layered silicon. The first 4 and second 5 electrodes are made of polycrystalline silicon transparent to photons with a thickness of 0.2 μm.

Размер площади первой 2 и второй 3 ячеек выбран от 6 мкм до 20 мкм в зависимости от требуемого динамического диапазона и разрешающей способности матричного фотоприемника. Толщины полупроводниковых областей (зон проводимости) выбраны из соображений выделения трех отдельных спектральных диапазонов длин волн оптического излучения и исходя из стандартной характеристики поглощения света в кремнии в зависимости от глубины и длины волны.The size of the area of the first 2 and second 3 cells is selected from 6 μm to 20 μm depending on the required dynamic range and resolution of the matrix photodetector. The thicknesses of the semiconductor regions (conduction zones) are selected from the considerations of distinguishing three separate spectral ranges of wavelengths of optical radiation and based on the standard characteristics of light absorption in silicon depending on the depth and wavelength.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Свет падает на матричный фотоприемник, проходя через каждую ячейку. В первой ячейке 2 свет проходит через прозрачный первый электрод 4, подавляющий ультрафиолетовую часть падающего излучения, затем фотоны синего спектра преобразуются в заряд в слое В 6 и накапливаются в потенциальной яме для заряда синих оттенков спектра 7, фотоны красного спектра преобразуются в заряд в слое R 8, затем накапливаются в потенциальной яме для заряда красных оттенков спектра 9. Во второй ячейке 3 свет проходит через прозрачный второй электрод 5, подавляющий ультрафиолетовую часть падающего излучения, затем фотоны зеленого спектра преобразуются в заряд в слое G 10 и накапливаются в потенциальной яме для заряда зеленых оттенков спектра 11, фотоны красного спектра преобразуются в заряд в слое R 12, затем накапливаются в потенциальной яме для заряда красных оттенков спектра 13. Далее в матричном фотоприемнике происходит считывание заряда как в стандартной полнокадровой матрице.Light falls on the matrix photodetector passing through each cell. In the first cell 2, light passes through the transparent first electrode 4, which suppresses the ultraviolet part of the incident radiation, then the blue-spectrum photons are converted into a charge in layer B 6 and accumulate in a potential well for the blue tint of spectrum 7, the red-spectrum photons are converted into charge in the R layer 8, then accumulate in a potential well for charging red shades of spectrum 9. In the second cell 3, light passes through a transparent second electrode 5, which suppresses the ultraviolet part of the incident radiation, then the photons of the green spectrum the RAs are converted into a charge in the G 10 layer and accumulate in the potential well for the charge of green shades of spectrum 11, the red spectrum photons are converted into the charge in the R 12 layer, then accumulate in the potential well for the charge of red shades of spectrum 13. Next, the charge is read in the matrix photodetector as in the standard full-frame matrix.

Благодаря размещению слоя R 12 во второй ячейке 3 со слоем G 10 при интерполяции красного цвета R функция передачи модуляции матричного фотоприемника повышается на 50% (в два раза), т.е. улучшается оптическая передаточная характеристика всего матричного фотоприемника.Due to the placement of layer R 12 in the second cell 3 with layer G 10 during red interpolation of R, the modulation transfer function of the matrix photodetector is increased by 50% (twice), i.e. improves the optical transfer characteristic of the entire matrix photodetector.

Экспериментально установлено, что в предлагаемом матричном фотоприемнике при интерполяция красного цвета R функция передачи модуляции матричного фотоприемника равна единице и постоянна (фиг. 3), в отличие от функции передачи модуляции матричного фотоприемника при интерполяции цветов по прототипу, где происходит ухудшение характеристик всех цветов в два раза (фиг. 4). Таким образом, благодаря совмещению слоев R и G во второй ячейке 3 в матричном фотоприемнике до 100% улучшается захват красных оттенков и улучшается оптическая передаточная характеристика матричного фотоприемника,It was experimentally established that in the proposed matrix photodetector with red R interpolation, the modulation transfer function of the matrix photodetector is equal to one and constant (Fig. 3), in contrast to the function of transmitting the modulation of the photodetector matrix during color interpolation according to the prototype, where the performance of all colors in two times (Fig. 4). Thus, by combining the layers R and G in the second cell 3 in the matrix photodetector, the capture of red shades is improved up to 100% and the optical transfer characteristic of the matrix photodetector is improved,

Использование полезной модели позволяет улучшить пространственно-частотную характеристику матричного фотоприемника по красному цвету, что позволит применять предлагаемый матричный фотоприемник в медицинских эндоскопах для адекватной передачи изображения тканей внутренних органов, а также для наблюдения работ в печах металлургии и другой промышленности, в частности в химико-биологических процессах для объектов контроля окатышей.Using the utility model allows to improve the spatial and frequency response of the matrix photodetector in red, which will allow the proposed matrix photodetector to be used in medical endoscopes to adequately transmit images of tissues of internal organs, as well as to monitor work in furnaces of metallurgy and other industries, in particular in chemical and biological processes for pellet monitoring facilities.

Claims

An array photodetector containing a p-type substrate on which a group of cells is arranged, made in the form of the first and second cells, alternating in a checkerboard pattern, the first electrode is located on the surface of the first cell, the second electrode is located on the surface of the second cell, and the first cell contains two conduction zones, namely, a p-type layer B with a potential well for a charge of blue shades of the spectrum, which is in direct contact with an n-type layer with a potential well for a charge of red shades of the spectrum, which the second one, in turn, is in direct contact with the substrate, while the p-type layer B is located at a distance of 0.15 to 0.3 μm from the surface of the substrate, the n-type layer R is located at a distance of from 1.7 to 2 5 μm from the surface of the substrate, characterized in that the second cell is made in the form of two conduction zones and contains a p-type layer G with a potential well for charging green shades of the spectrum, which is in direct contact with an n-type layer R with a potential well for charging red shades of the spectrum, which, in turn, is in backhoes contact with the substrate, the layer G p-type located at a distance of from 0.55 to 0.7 m from the substrate surface, a layer of the type R n-located at a distance of 1.7 to 2.5 micrometers from the substrate surface.