RU2291518C2 - Photodetector cell - Google Patents

Photodetector cell Download PDF

Info

Publication number
RU2291518C2
RU2291518C2 RU2003120477/28A RU2003120477A RU2291518C2 RU 2291518 C2 RU2291518 C2 RU 2291518C2 RU 2003120477/28 A RU2003120477/28 A RU 2003120477/28A RU 2003120477 A RU2003120477 A RU 2003120477A RU 2291518 C2 RU2291518 C2 RU 2291518C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
substrate
photodetector cell
cell according
depth
additional
Prior art date
Application number
RU2003120477/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003120477A (en
Inventor
Юрий Иванович Тишин (RU)
Юрий Иванович Тишин
Виктор Александрович Гергель (RU)
Виктор Александрович Гергель
д Владимир Александрович Зимогл (RU)
Владимир Александрович Зимогляд
Игорь Валерьевич Ванюшин (RU)
Игорь Валерьевич Ванюшин
Андрей Владимирович Лепендин (RU)
Андрей Владимирович Лепендин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Юник Ай Сиз"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Юник Ай Сиз" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Юник Ай Сиз"
Priority to RU2003120477/28A priority Critical patent/RU2291518C2/en
Publication of RU2003120477A publication Critical patent/RU2003120477A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2291518C2 publication Critical patent/RU2291518C2/en

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

FIELD: microelectronics; multicomponent integrated-circuit photodetectors such as video cameras and digital photography.
SUBSTANCE: proposed photodetector cell has first and second p-n junctions disposed at different depths from silicon substrate surface, and also additional area of same polarity of conductivity as substrate disposed in the latter at depth from working surface exceeding that of second p-n junction; this area forms potential barrier for minority charge carriers guaranteed in substrate area disposed deeper than barrier.
EFFECT: reduced noise level.
6 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к производству интегральных многоэлементных фотоприемников, например, для видеокамер и цифровой фотографии.The invention relates to the field of microelectronics, and more particularly to the production of integrated multi-element photodetectors, for example, for video cameras and digital photography.

Известны фотоприемные ячейки для интегральных многоэлементных фотоприемников, выполненные в виде фотодиодов [1], предназначенных для считывания изображения во всем видимом диапазоне длин волн. Недостатком таких фотоприемных ячеек является невозможность выявления составляющих светового потока с различными длинами волн.Known photodetector cells for integrated multi-element photodetectors, made in the form of photodiodes [1], designed to read the image in the entire visible wavelength range. The disadvantage of such photodetector cells is the inability to identify the components of the light flux with different wavelengths.

Известны также фотоприемные ячейки с разделением цветов падающего светового потока, содержащие в кремниевой подложке первого типа проводимости области, образующие p-n переходы для разделения носителей заряда, генерированных различными составляющими светового потока от элемента изображения, проецируемого на поверхность ячейки [2].Also known are photodetector cells with color separation of the incident light flux, containing regions in the first type of conductivity silicon substrate that form p-n junctions for separating charge carriers generated by various components of the light flux from the image element projected onto the cell surface [2].

Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и выбирается в качестве прототипа.This technical solution is the closest to the claimed technical essence and is selected as a prototype.

Известные фотоприемные ячейки имеют следующие существенные недостатки, высокий уровень шумов, обусловленный тепловой генерацией неосновных носителей заряда в подложке и их генерацией под воздействием ульрафиолетовой составляющей падающего излучения.Known photodetector cells have the following significant disadvantages, a high noise level due to the thermal generation of minority charge carriers in the substrate and their generation under the influence of the ultraviolet component of the incident radiation.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение уровня шумов интегральных фотоприемников.The technical result of the present invention is to reduce the noise level of integrated photodetectors.

Другим техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности цветоразделения.Another technical result of the present invention is to increase the color separation efficiency.

Эти технические результаты достигнуты в фотоприемной ячейке с разделением цветов, содержащей в кремниевой подложке первый и второй p-n переходы, расположенные на разных глубинах от поверхности, в которой на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания второго p-n перехода, расположена дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, формирующая потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера.These technical results were achieved in a color-separation photodetector containing in the silicon substrate the first and second pn junctions located at different depths from the surface, in which an additional region of the same type as the substrate is located at a depth from the working surface exceeding the depth of the second pn junction conductivity, which forms a potential barrier for minority charge carriers generated in the region of the substrate located deeper than the barrier.

Отличия фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что она имеет в подложке на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания второго p-n перехода, дополнительную область одинакового с подложкой типа проводимости, формирующую потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера.The differences in the color-separation photodetector cell according to the present invention are that it has in the substrate at a depth from the working surface greater than the depth of the second pn junction, an additional region of the same conductivity type as the substrate, which forms a potential barrier for minority charge carriers generated in the region a substrate deeper than the barrier.

Отличия второго варианта фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что дополнительная область расположена на глубине 1.45 мкм.The differences in the second variant of the color-separation photodetector cell according to the present invention are that the additional region is located at a depth of 1.45 μm.

Отличия третьего варианта фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что содержит вторую дополнительную область одинакового с подложкой типа проводимости, расположенную под первой дополнительной областью.The differences in the third embodiment of the color-separation photodetector cell according to the present invention are that it comprises a second additional region of the same conductivity type as the substrate, located under the first additional region.

Отличия четвертого варианта фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что упомянутая область противоположного типа проводимости, образующая с подложкой p-n переход, имеет боковую диэлектрическую изоляцию.The differences in the fourth embodiment of a color-separation photodetector cell according to the present invention are that said region of the opposite type of conductivity, forming a pn junction with a substrate, has lateral dielectric insulation.

Отличия пятого варианта фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что между упомянутыми дополнительными областями расположена третья дополнительная область противоположного подложке типа проводимости.The differences in the fifth embodiment of the color-separation photodetector cell according to the present invention are that between these additional regions there is a third additional region opposite to the substrate of the conductivity type.

Отличия шестого варианта фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что толщина третьей дополнительной области меньше суммы толщин слоев объемного заряда p-n переходов между дополнительными областями.The differences in the sixth embodiment of the color-separation photodetector cell according to the present invention are that the thickness of the third additional region is less than the sum of the thicknesses of the space charge layers pn junctions between the additional regions.

Настоящее изобретение поясняется приведенными чертежами.The present invention is illustrated by the drawings.

На фиг.1 приведен схематический разрез структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению.Figure 1 shows a schematic section of the structure of a photodetector cell with color separation according to the present invention.

На фиг.2 приведен график распределения потенциала по глубине структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению.Figure 2 shows a graph of the distribution of potential along the depth of the structure of the photodetector cell with color separation according to the present invention.

На фиг.3 приведен схематический разрез структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно третьему варианту настоящего изобретения.Figure 3 shows a schematic section of the structure of a photodetector cell with color separation according to the third embodiment of the present invention.

На фиг.4 приведен график распределения потенциала по глубине структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно третьему варианту настоящего изобретения.Figure 4 shows a graph of the potential distribution over the depth of the structure of the photodetector cell with color separation according to the third embodiment of the present invention.

На фиг.5 приведен схематический разрез структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно четвертому варианту настоящего изобретения.Figure 5 shows a schematic section of the structure of a photodetector cell with color separation according to a fourth embodiment of the present invention.

На фиг.6 приведен график распределения потенциала по глубине структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно третьему варианту настоящего изобретения.Figure 6 shows a graph of the potential distribution over the depth of the structure of the photodetector cell with color separation according to the third embodiment of the present invention.

На фиг.7 приведен график распределения потенциала по глубине структуры фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно четвертому варианту настоящего изобретения.7 is a graph of potential distribution over the depth of the structure of a photodetector cell with color separation according to a fourth embodiment of the present invention.

Фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению содержит в подложке 1 первый p-n переход 2 и второй p-n переход 3, образованные соответственно подложкой 1, областями 4 и 5. Подложка 1 и области 4 и 5 имеют омические контакты 6, 7 и 8. В подложке 1 имеется дополнительная область 9 противоположного подложке типа проводимости, формирующая потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера. В качестве примера на фиг.2 приведен график зависимости величины встроенного потенциала в зависимости от расстояния от поверхности. В конструкции ячейки может быть использована диэлектрическая изоляция 10 щелевого типа [3].The color-separation photodetector cell according to the present invention comprises in the substrate 1 a first pn junction 2 and a second pn junction 3 formed respectively by the substrate 1, regions 4 and 5. The substrate 1 and regions 4 and 5 have ohmic contacts 6, 7 and 8. In the substrate 1, there is an additional region 9 opposite to the conductivity type substrate, which forms a potential barrier for minority charge carriers generated in the region of the substrate located deeper than the barrier. As an example, figure 2 shows a graph of the built-in potential as a function of distance from the surface. In the design of the cell can be used dielectric insulation 10 gap type [3].

В фотоприемной ячейке согласно третьему варианту настоящего изобретения содержится вторая дополнительная область 11 одинакового с подложкой типа проводимости, расположенная под первой дополнительной областью и выполняющая функции аналогичные функциям области 9. В фотоприемной ячейке согласно четвертому варианту настоящего изобретения между упомянутыми дополнительными областями 9 и 11 расположена третья дополнительная область 12 противоположного подложке типа проводимости. Толщина третьей дополнительной области 12 может быть меньше суммы толщин слоев объемного заряда p-n переходов между дополнительными областями 9, 11 и подложкой 1. Графики зависимостей величины встроенного потенциала в зависимости от расстояния от поверхности для упомянутых выше вариантов ячеек приведены на фиг. 4, 6 и 7. В качестве подложки ячейки может быть использован кремний, легированный бором с концентрацией порядка 1014...1015. Области 9 и 11 могут быть сформированы ионным легированием на глубине 1.45...1.5 мкм (максимум концентрации акцепторов) и 2.45...2.5 мкм соответственно.In the photodetector cell according to the third embodiment of the present invention, there is a second additional region 11 of the same conductivity type as the substrate, located under the first additional region and performing functions similar to the functions of region 9. In the photodetector cell according to the fourth embodiment of the present invention, a third additional region is located region 12 of the opposite conductivity type substrate. The thickness of the third additional region 12 can be less than the sum of the thicknesses of the space charge layers pn junctions between the additional regions 9, 11 and the substrate 1. The dependences of the built-in potential on the distance from the surface for the above cell options are shown in FIG. 4, 6 and 7. As the cell substrate, silicon doped with boron with a concentration of about 10 14 ... 10 15 can be used. Regions 9 and 11 can be formed by ion doping at a depth of 1.45 ... 1.5 μm (maximum concentration of acceptors) and 2.45 ... 2.5 μm, respectively.

Фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящего изобретения работает следующим образом.A color-separation photodetector cell according to the present invention operates as follows.

Световой поток от элемента изображения определенной цветности, содержащий сочетание излучений в синем зеленом и красном поддиапазонах оптического спектра, проецируется на поверхность фотоприемной ячейки. Части излучения в световом потоке, соответствующие упомянутым поддиапазонам спектра, поглощаются в подложке 1 с образованием электронно-дырочных пар. При этом синие компоненты излучения поглощаются в тонком (0,4-0,7) мкм приповерхностном слое подложки 1. Зеленая часть спектра генерирует электронно-дырочные пары в более протяженном слое (до 1,5-2) мкм. Наиболее глубоко в подложку (до 7 мкм) проникает красная и инфракрасная составляющие излучения соответственно, эти составляющие генерируют электронно-дырочные пары в более протяженном слое. Определение в световом потоке долей излучений, соответствующих синему, зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра, производится путем определения количества генерированных ими электронно-дырочных пар. Для этой цели в приповерхностном слое подложки созданы p-n переходы 2 и 3, электрические поля в которых разделяют электроны и дырки. В результате разделения носителей заряда формируются токи, величины которых пропорциональны количеству генерированных электронно-дырочных пар и следовательно зависят от интенсивности долей излучений, соответствующих синему, зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра. При этом в ток, соответствующий красной составляющей от светового потока, падающего на поверхность подложки, вносит вклад и инфракрасная составляющая. Это приводит к ошибкам распознавания спектрального состава потока в известных фотоячейках.The luminous flux from an image element of a certain color, containing a combination of radiation in the blue green and red subbands of the optical spectrum, is projected onto the surface of the photodetector cell. Parts of the radiation in the light flux corresponding to the aforementioned sub-bands of the spectrum are absorbed in the substrate 1 with the formation of electron-hole pairs. In this case, the blue components of the radiation are absorbed in a thin (0.4-0.7) micron near the surface layer of the substrate 1. The green part of the spectrum generates electron-hole pairs in a longer layer (up to 1.5-2) microns. The red and infrared radiation components penetrate most deeply into the substrate (up to 7 μm), respectively, these components generate electron-hole pairs in a longer layer. The determination of the fraction of radiation in the light flux corresponding to the blue, green, and red subbands of the optical spectrum is carried out by determining the number of electron-hole pairs generated by them. For this purpose, pn junctions 2 and 3, in which electric fields are separated by electrons and holes, are created in the surface layer of the substrate. As a result of the separation of charge carriers, currents are formed whose values are proportional to the number of generated electron-hole pairs and therefore depend on the intensity of the radiation fractions corresponding to the blue, green, and red subbands of the optical spectrum. In this case, the infrared component also contributes to the current corresponding to the red component from the light flux incident on the surface of the substrate. This leads to recognition errors of the spectral composition of the flow in known photocells.

Кроме того, независимо от светового потока, падающего на поверхность подложки, в глубине подложки генерируются электронно-дырочные пары, обусловленные шумами. Эти носители заряда в известных фотоприемных ячейках могут достигать p-n переходов и вносить определенный вклад в токи, по величинам которых определяются доли излучений в падающем световом потоке, соответствующие синему, зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра. Таким образом, возникают ошибки цветоразделения в известных ячейках-аналогах и прототипе. В фотоприемной ячейке с разделением цветов согласно настоящему изобретению дополнительная область 9 противоположного подложке типа проводимости, формирующая потенциальный барьер, блокирует продвижение неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера к p-n переходам. Дополнительная область 9, например, может быть расположена на глубине, равной 1,45 мкм. В результате, в значительной мере ослабляется влияние шумов на результаты цветоразделения. Блокирование носителей заряда, генерированных в областях подложки, расположенных вокруг ячейки, осуществляется посредством диэлектрической изоляции 10. Эта конструктивная деталь вносит дополнительный вклад в эффективность цветоразделения.In addition, regardless of the light flux incident on the surface of the substrate, electron-hole pairs due to noise are generated deep in the substrate. These charge carriers in known photodetector cells can reach pn junctions and make a certain contribution to currents, the values of which determine the fraction of radiation in the incident light flux corresponding to the blue, green, and red subbands of the optical spectrum. Thus, color separation errors occur in known analog cells and prototype. In the color-separation photodetector cell of the present invention, an additional region 9 of the opposite conductivity type substrate forming a potential barrier blocks the progress of minority carriers generated in the region of the substrate located deeper than the barrier to pn junctions. The additional region 9, for example, may be located at a depth of 1.45 μm. As a result, the effect of noise on color separation results is greatly attenuated. The blocking of charge carriers generated in the regions of the substrate located around the cell is carried out by means of dielectric insulation 10. This structural part makes an additional contribution to the efficiency of color separation.

Фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению может быть изготовлена по широко известной технологии CMOS типа [4] и найти широкое применение при создании СБИС матричных фото приемников, например, для видеокамер и цифровой фотографии.A color-separation photodetector cell according to the present invention can be manufactured using the well-known CMOS technology of type [4] and find wide application in creating VLSI matrix photo receivers, for example, for video cameras and digital photography.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. USA Patent № 5668596, September, 1997.1. USA Patent No. 5668596, September, 1997.

2. USA Patent № 5965875, October, 1999.2. USA Patent No. 5965875, October, 1999.

3. High Speed CMOS Logic Data Book. Texas Instruments Ltd, 1991.3. High Speed CMOS Logic Data Book. Texas Instruments Ltd, 1991.

4. LVT Low Voltage Technology. Texas Instruments Ltd, 1992.4. LVT Low Voltage Technology. Texas Instruments Ltd, 1992.

Claims (6)

1. Фотоприемная ячейка с разделением цветов, содержащая в кремниевой подложке первый и второй p-n переходы, расположенные на разных глубинах от поверхности, отличающаяся тем, что в подложке на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания второго p-n перехода, расположена дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, формирующая потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера.1. A photodetector cell with color separation, containing in the silicon substrate the first and second pn junctions located at different depths from the surface, characterized in that in the substrate at a depth from the working surface exceeding the depth of the second pn junction, there is an additional region identical to the substrate type of conductivity, which forms a potential barrier for minority charge carriers generated in the region of the substrate located deeper than the barrier. 2. Фотоприемная ячейка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительная область расположена на глубине 1,45 мкм.2. The photodetector cell according to claim 1, characterized in that the additional region is located at a depth of 1.45 μm. 3. Фотоприемная ячейка по п.1, отличающаяся тем, что содержит вторую дополнительную область одинакового с подложкой типа проводимости, расположенную под первой дополнительной областью.3. The photodetector cell according to claim 1, characterized in that it contains a second additional region of the same conductivity type as the substrate, located under the first additional region. 4. Фотоприемная ячейка по п.1, отличающаяся тем, что области, образующие p-n переходы, имеют боковую диэлектрическую изоляцию.4. The photodetector cell according to claim 1, characterized in that the regions forming the pn junctions have lateral dielectric isolation. 5. Фотоприемная ячейка по п.3, отличающаяся тем, что между упомянутыми дополнительными областями расположена третья дополнительная область противоположного подложке типа проводимости.5. The photodetector cell according to claim 3, characterized in that between the mentioned additional regions there is a third additional region opposite to the substrate of the conductivity type. 6. Фотоприемная ячейка по п.5, отличающаяся тем, что толщина третьей дополнительной области меньше суммы толщин слоев объемного заряда p-n переходов между дополнительными областями.6. The photodetector cell according to claim 5, characterized in that the thickness of the third additional region is less than the sum of the thicknesses of the layers of space charge pn junctions between the additional regions.
RU2003120477/28A 2003-07-09 2003-07-09 Photodetector cell RU2291518C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003120477/28A RU2291518C2 (en) 2003-07-09 2003-07-09 Photodetector cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003120477/28A RU2291518C2 (en) 2003-07-09 2003-07-09 Photodetector cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003120477A RU2003120477A (en) 2005-01-10
RU2291518C2 true RU2291518C2 (en) 2007-01-10

Family

ID=34881517

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003120477/28A RU2291518C2 (en) 2003-07-09 2003-07-09 Photodetector cell

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2291518C2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2003120477A (en) 2005-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101052030B1 (en) Electromagnetic radiation converter
EP0625803B1 (en) Photodiode structure
US8872297B2 (en) Integrated photodiode for semiconductor substrates
KR20090060275A (en) Light receiving device, and light receiving device manufacturing method
JP5165588B2 (en) Semiconductor radiation detector optimized to detect visible light
US20080157254A1 (en) Compound semiconductor image sensor
CN105185800B (en) Cmos image sensor and its manufacture method
US10770505B2 (en) Per-pixel performance improvement for combined visible and ultraviolet image sensor arrays
KR20130059311A (en) Semiconductor light detecting element
US7671392B2 (en) Photoreceiver cell with color separation
US20130001729A1 (en) High Fill-Factor Laser-Treated Semiconductor Device on Bulk Material with Single Side Contact Scheme
TWI476911B (en) Method for increasing photodiode full well capacity
KR101332080B1 (en) Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
CN116031324B (en) Single photon avalanche diode and manufacturing method thereof
RU2291518C2 (en) Photodetector cell
RU2309485C2 (en) Single-section color-division photocell
US8120078B2 (en) Photodiode structure
RU2273916C2 (en) Color-separation photodetector cell
RU2309483C2 (en) Color-division photocell
RU2290722C2 (en) Photodetector cell
RU2297074C2 (en) Photo-receiving cell with color division
JP2020502805A (en) Multispectral sensor with stacked photodetectors
KR101762430B1 (en) Backside illumination-typed silicon photomultiplier and method of fabricating the same
NL8202761A (en) Dual-photodiode semiconductor device - with improved blue sensitivity
Vanyushin et al. Profiling the boron distribution in asymmetric n+-p silicon photodiodes and a new concept for creating selectively sensitive photocells for megapixel color-image receivers

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070710

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090710