RU2309483C2

RU2309483C2 - Color-division photocell

Info

Publication number: RU2309483C2
Application number: RU2003120495/28A
Authority: RU
Inventors: 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: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2007-10-27

Abstract

FIELD: microelectronics; multicomponent integrated photodetectors such as single-chip digital video cameras; digital photography.

SUBSTANCE: proposed color-division photodetector cell has first p-n junction partially disposed in separate first, second, and third regions of silicon substrate. These regions are isolated by insulator; second p-n junction is disposed in surface part of second and third insulated regions and is formed by inversion layer initiated when polycrystalline silicon layers disposed on silicon dioxide layer above second and third regions are placed at positive potential. Disposed in substrate under first and second regions and deepened in effective surface below first p-n junction is additional region of same polarity of conductivity as substrate that forms potential barrier for minority charge carriers generated in substrate region disposed deeper than barrier.

EFFECT: reduced noise level, ability of attaining compatibility between photocells and complementary metal-oxide-semiconductor reading components and other control circuits of photodetectors.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к производству интегральных многоэлементных фотоприемников, например, для однокристальных цифровых видеокамер и цифровой фотографии.The invention relates to the field of microelectronics, and more specifically to the production of integrated multi-element photodetectors, for example, for single-chip digital 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 цветоотделения, определяемый недостаточной эффективностью разделения фототоков, определяемых спектральным составом падающего излучения; технологическая несовместимость с CMOS элементами схем считывания.Known photodetector cells have the following significant disadvantages: a high level of color separation noise, determined by the insufficient separation of photocurrents determined by the spectral composition of the incident radiation; technological incompatibility with CMOS elements of readout circuits.

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

Другим техническим результатом настоящего изобетения является достижение технологической совместимости фотоприемных ячеек с CMOS считывания и другими схемами управления фотоприемниками.Another technical result of the present invention is the achievement of technological compatibility of the photodetector cells with CMOS reading and other photodetector control circuits.

Эти технические результаты достигнуты в фотоячейке с разделением цветов, содержащей в кремниевой подложке первый и второй p-n переходы, удаленные на различные расстояния от поверхности, покрытой слоем двуокиси кремния, в которой первый p-n переход расположен частично в первой, во второй и третьей отдельных областях подложки, изолированных диэлектриком, второй p-n переход расположен в приповерхностной части второй и третьей изолированных областей и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительных потенциалов на слоях поликристаллического кремния, расположенных на слое двуокиси кремния над второй и третьей областями, при этом в подложке под первой и второй областями на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания первого 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 are achieved in a color-separation photocell containing first and second pn junctions in a silicon substrate, which are located at different distances from a surface coated with a layer of silicon dioxide, in which the first pn junction is partially located in the first, second and third separate regions of the substrate, insulated by a dielectric, the second pn junction is located in the surface of the second and third isolated regions and is formed by an inversion layer, which is induced in the presence of positive potentials polycrystalline silicon layers located on the silicon dioxide layer above the second and third regions, while in the substrate below the first and second regions at a depth from the working surface exceeding the depth of the first pn junction, there is an additional region of the same conductivity type as the substrate, 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 первый p-n переход расположен частично в первой, во второй и третьей отдельных областях подложки, изолированных диэлектриком, второй p-n переход расположен в приповерхностной части второй и третьей изолированных областей и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительных потенциалов на слоях поликристаллического кремния, расположенных на слое двуокиси кремния над второй и третьей областями, при этом в подложке под первой и второй областями на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания первого 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.The differences in the color-separation photodetector cell according to the present invention are that the first pn junction is partially located in the first, second and third separate regions of the substrate, insulated by a dielectric, the second pn junction is located in the surface of the second and third isolated regions and is formed by an inversion layer, which is induced in the presence of positive potentials on the layers of polycrystalline silicon located on the layer of silicon dioxide over the second and third regions, while in ozhke under the first and second regions at a depth from the working surface, exceeding the depth of the first p-n junction is an additional region of the same conductivity type to the substrate, forming a potential barrier to minority carriers generated in the substrate region situated deeper barrier.

Отличия фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно второму варианту настоящего изобретения заключаются в том, что под всеми изолированными областями содержится вторая дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, расположенная под первой дополнительной областью.The differences in the color-separation photodetector cell according to the second embodiment of the present invention are that under all the isolated regions there is a second additional region of the same conductivity type as the substrate, located under the first additional region.

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

Изобретение поясняется приведенным чертежом, на котором приведен схематический разрез фотоприемной ячейки согласно настоящему изобретению.The invention is illustrated by the drawing, which shows a schematic section of a photodetector cell according to the present invention.

Фотоприемная ячейка согласно настоящему изобретению содержит кремниевую подложку 1, в которой сформирован первый p-n переход 2, расположенный частично в первой 3, частично во второй 4 и частично в третьей 5 отдельных областях подложки 1, изолированных диэлектриком 6, второй p-n переход 7, расположенный в приповерхностных частях второй 4 и третьей 5 изолированных областей, образованный инверсионным слоем 8, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния 9, расположеном на слое двуокиси кремния 10 над ним. В структуре ячейки имеются омические контакты 11, 12, 13 и 14 к изолированным областям и подложке. Под первым p-n переходом 2 в первой 3 и второй 4 изолированных областях расположена дополнительная область 15 одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, генерированных в подложке 1. Во втором варианте фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению под всеми изолированными областями 3, 4 и 5 содержится вторая дополнительная область 16 одинакового с подложкой 1 типа проводимости, расположенная под первой дополнительной областью 15. В качестве подложки ячейки может быть использован кремний, легированный бором с концентрацией порядка 10¹⁴...10¹⁵. Области 15 и 16 могут быть сформированы ионным легированием на глубине 1.45...1.5μm (максимум концентрации акцепторов) и 2.45...2.5μm соответственно. В третьем варианте воплощения изобретения между дополнительными областями 15 и 16 может быть расположена область 17 противоположного полложке 1 типа проводимости с концентрацией примесей порядка 10¹⁷.The photodetector cell according to the present invention contains a silicon substrate 1 in which a first pn junction 2 is formed, located partially in the first 3, partially in the second 4 and partially in the third 5 separate regions of the substrate 1, insulated by dielectric 6, the second pn junction 7 located in the surface parts of the second 4 and third 5 isolated regions, formed by an inversion layer 8, which is induced when there is a positive potential on the polycrystalline silicon layer 9 located on the silicon dioxide layer 10 on d him. In the cell structure, there are ohmic contacts 11, 12, 13, and 14 to isolated regions and the substrate. Under the first pn junction 2 in the first 3 and second 4 isolated regions, there is an additional region 15 of the same conductivity type as the substrate, which forms a potential barrier for charge carriers generated in the substrate 1. In the second embodiment, a color-separation photodetector cell according to the present invention under all isolated regions 3, 4 and 5, a second additional region 16 of the same conductivity type as the substrate 1 is located, located under the first additional region 15. As a cell substrate, be used silicon, doped with boron at a concentration of about 10 ¹⁴ ... ^{15 October.} Regions 15 and 16 can be formed by ion doping at a depth of 1.45 ... 1.5μm (maximum concentration of acceptors) and 2.45 ... 2.5μm, respectively. In the third embodiment of the invention, between the additional regions 15 and 16, a region 17 of the opposite conductivity type 1 substrate with an impurity concentration of the order of 10 ¹⁷ may be located.

Фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению работает следующим образом. Световой поток от элемента изображения определенной цветности, содержащий сочетание излучений в синем, зеленом и красном поддиапазонах оптического спектра, проецируется на поверхность фотоприемной ячейки. Область 3 с частью p-n перехода 2 работает как обычный фотодиод и производит считывание изображения в сине-зеленом дипазоне длин волн. Поэтому ток через электроды 11 и 13 несет информацию о синей и зеленой составляющих. В областях 4 и 5 часть излучения, соответствующая ультрафиолетовому и синему поддиапазонам оптического спектра, полностью поглощается слоем 9 поликристаллического кремния с толщиной не менее 0,2 мкм. Остальные части излучения в световом потоке, соответствующие упомянутым поддиапазонам спектра, поглощаются в подложке 1 с образованием электронно-дырочных пар. При этом зеленая часть спектра генерирует электронно-дырочные пары в области подложки толщиной до 1,5-2 мкм. Наиболее глубоко в подложку до 7 мкм проникает красная и инфракрасная составляющие излучения, и, соответственно, эти составляющие генерируют электронно-дырочные пары в более протяженном слое. Определение в световом потоке долей излучений, соответствующих зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра, производится путем определения количества генерированных ими электронно-дырочных пар. Для этой цели в приповерхностном слое подложки создан второй p-n переход 7, расположенный частично в области 4 и частично в области 5, образованный приповерхностным инверсионным слоем 8, который образуется под упомянутым слоем поликристаллического кремния 9 при приложении к нему напряжения положительной полярности через электроды 9. Электрические поля в этих частях 7 второго перехода разделяют электроны и дырки. В результате разделения носителей заряда формируются токи через омические контакты 12, 14 и 13, величины которых пропорциональны количеству генерированных электронно-дырочных пар и, следовательно, зависят от интенсивности долей излучений, соответствующих зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра.A color separation photodetector cell according to the present invention operates as follows. The luminous flux from the 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. Region 3 with part pn of junction 2 operates as a conventional photodiode and reads an image in the blue-green wavelength range. Therefore, the current through the electrodes 11 and 13 carries information about the blue and green components. In regions 4 and 5, the part of the radiation corresponding to the ultraviolet and blue subbands of the optical spectrum is completely absorbed by polycrystalline silicon layer 9 with a thickness of at least 0.2 μm. The remaining 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 green part of the spectrum generates electron – hole pairs in the substrate region with a thickness of up to 1.5–2 μm. The red and infrared radiation components penetrate most deeply into the substrate up to 7 μm, and, accordingly, these components generate electron-hole pairs in a longer layer. The determination of the fraction of radiation in the light flux corresponding to the 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, a second pn junction 7 has been created in the surface layer of the substrate, partially located in region 4 and partially in region 5, formed by a near-surface inversion layer 8, which is formed under the said layer of polycrystalline silicon 9 when a voltage of positive polarity is applied to it through electrodes 9. Electrical the fields in these parts 7 of the second transition are separated by electrons and holes. As a result of the separation of charge carriers, currents are formed through ohmic contacts 12, 14 and 13, the values of which are proportional to the number of generated electron-hole pairs and, therefore, depend on the intensity of the radiation fractions corresponding to the green and red subbands of the optical spectrum.

В ток, соответствующий красной составляющей от светового потока, падающего на поверхность подложки, вносит вклад и инфракрасная составляющая. Это приводит к ошибкам распознавания спектрального состава потока в известных фотоячейках. Кроме того, независимо от светового потока, падающего на поверхность подложки, в глубине подложки генерируются электронно-дырочные пары, обусловленные шумами. Эти носители заряда в известных фотоприемных ячейках могут достигать p-n переходов и вносить определенный вклад в токи, по величинам которых определяются доли излучений в падающем световом потоке, соответствующие синему, зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра. Таким образом, возникают ошибки цветоразделения в известных ячейках-аналогах и прототипе. В фотоприемной ячейке с разделением цветов согласно настоящему изобретению дополнительная область 16 того же типа проводимости, что и подложка, блокирует продвижение неосновных носителей заряда, генерированных инфракрасным излучением в области подложки, расположенной глубже потенциального энергетического барьера, формируемого в дополнительной области 16, расположенной, например, на глубине, равной 2,45 мкм. В результате в значительной мере подавляется инфракрасная компонента фототока и ослабляется влияние шумов на результаты цветоразделения. В свою очередь, дополнительная локальная р+область 15, расположенная, например, на глубине 1,45 мкм, препятствует коллектированию фотоэлектронов, генерированных в слоях 15 и 17 считывающими контактами 11 и 12, и направляет их исключительно на контактную область 14, где и осуществляется регистрация «красных» фотоэлектронов с общей площади всех трех секций фотоприемной ячейки. Блокирование носителей заряда, генерированных в областях подложки, расположенных вокруг ячейки, осуществляется посредством диэлектрической изоляции 6. Эта конструктивная деталь вносит дополнительный вклад в эффективность цветоразделения.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. 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 16 of the same conductivity type as the substrate blocks the progress of minority carriers generated by infrared radiation in the region of the substrate located deeper than the potential energy barrier formed in the additional region 16 located, for example, at a depth of 2.45 microns. As a result, the infrared component of the photocurrent is largely suppressed and the influence of noise on the color separation results is attenuated. In turn, the additional local p + region 15, located, for example, at a depth of 1.45 μm, prevents the collection of photoelectrons generated in the layers 15 and 17 by the reading contacts 11 and 12, and directs them exclusively to the contact region 14, where registration of "red" photoelectrons with a total area of all three sections of the photodetector cell. The blocking of charge carriers generated in the regions of the substrate located around the cell is carried out by dielectric insulation 6. This structural part makes an additional contribution to the color separation efficiency.

Фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению может быть изготовлена по широко известной технологии CMOS типа (4) и найти широкое прменение при создании СБИС матричных фотоприемников, например, для однокристальных цифровых 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 photodetectors, for example, for single-chip digital 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

1. A color-separation photo cell containing first and second pn junctions in a silicon substrate, which are different distances from a surface coated with a layer of silicon dioxide, characterized in that the first pn junction is partially located in the first, second and third separate regions of the substrate, insulated by dielectric , the second pn junction is located in the surface part of the second and third isolated regions and is formed by an inversion layer, which is induced in the presence of positive potentials on the layers of polycrystalline an additional region of the same conductivity type as the substrate, which forms a potential barrier for minority carriers, in the substrate located on the silicon dioxide layer above the second and third regions, while in the substrate under the first and second regions at a depth from the working surface exceeding the depth of the first pn junction charge generated in the region of the substrate located deeper than the barrier.

2. A photocell with color separation according to claim 1, characterized in that under all the isolated areas contains a second additional region of the same conductivity type as the substrate, located under the first additional region.

3. A photocell with color separation according to claim 2, characterized in that between the mentioned additional regions there is a third additional region opposite to the substrate of the conductivity type.