RU2333569C1 - Photoreceiving cell with vertical colour separation - Google Patents
Photoreceiving cell with vertical colour separation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2333569C1 RU2333569C1 RU2007112015/28A RU2007112015A RU2333569C1 RU 2333569 C1 RU2333569 C1 RU 2333569C1 RU 2007112015/28 A RU2007112015/28 A RU 2007112015/28A RU 2007112015 A RU2007112015 A RU 2007112015A RU 2333569 C1 RU2333569 C1 RU 2333569C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- conductivity
- type
- areas
- regions
- conductivity type
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в многоспектральных матричных фотоприемниках, в частности для преобразования цветных изображений повышенного формата и высокой плотности пикселей в электрические сигналы в фотоаппаратах и видеокамерах.The invention relates to computer vision technology and can be used in multispectral matrix photodetectors, in particular for converting color images of high format and high pixel density into electrical signals in cameras and video cameras.
Известны фотоприемные ячейки с вертикальным разделением цветов (См. патенты США: 5,965,875 «Разделение цветов в ячейках фотоприемной матрицы, использующее трехслойную структуру», 6,632,701 В2 «Детекторы с вертикальным фильтром цветов и матрица из них»).Known photodetector cells with vertical color separation (See US patents: 5,965,875 “Color separation in the cells of the photodetector using a three-layer structure”, 6,632,701 B2 “Detectors with a vertical color filter and a matrix of them”).
В обоих источниках описывается устройство ячейки, сформированной на полупроводниковой подлжке, содержащей три расположенных друг над другом полупроводниковых р-n-перехода, чувствительных в различных спектральных диапазонах света, например голубом, зеленом и красном.Both sources describe the arrangement of a cell formed on a semiconductor pod containing three semiconductor pn junctions located one above the other, sensitive in different spectral ranges of light, for example, blue, green, and red.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство, описанное в патенте США 6,727,521 В2 «Детекторы с вертикальным фильтром цветов и матрица из них».Closest to the claimed invention is the device described in US patent 6,727,521 B2 "Detectors with a vertical color filter and a matrix of them."
Указанное устройство содержит фотоприемную ячейку с вертикальным разделением цветов, сформированную на полупроводниковой подложке, содержащую три или более расположенных друг над другом полупроводниковых области первого типа проводимости с конфигурацией, необходимой для собирания носителей тока первой полярности, отделенных друг от друга полупроводниковыми базовыми областями второго типа проводимости, с конфигурацией, необходимой для собирания и удаления носителей тока противоположной полярности, соединенными друг с другом и общим электродом, образующими с областями первого типа проводимости р-n-переходы с различными спектральными чувствительностями, и обеспечивающие электроизоляцию областей первого типа проводимости друг от друга и от базовых областей, барьерные области, расположенные в базовых областях под областями первого типа проводимости, электрическую схему считывания, осуществляющую под управлением сигналов координатной выборки подачу на области первого типа проводимости режимных напряжений и считывание фотосигналов от каждой из них.The specified device contains a photodetector cell with a vertical color separation, formed on a semiconductor substrate, containing three or more semiconductor regions of the first type of conductivity located one above the other with the configuration necessary for collecting current carriers of the first polarity separated from each other by semiconductor base regions of the second type of conductivity, with the configuration necessary for collecting and removing current carriers of opposite polarity, connected to each other and generally electrode, forming pn junctions with regions of the first type of conductivity with different spectral sensitivities, and providing electrical isolation of the regions of the first type of conductivity from each other and from the base regions, barrier regions located in the base regions under the regions of the first type of conductivity, an electrical reading circuit which, under the control of coordinate sampling signals, feeds mode voltages to the first type of conductivity region and reads the photo signals from each of them.
Однако известные устройства имеют недостаток: площадь ячейки велика, так как имеет изолированные выводы от всех областей первого типа проводимости к приповерхностным контактам и соответствующее им количество схем считывания.However, the known devices have a drawback: the cell area is large, since it has isolated leads from all areas of the first type of conductivity to the surface contacts and the corresponding number of readout circuits.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение площади ячейки.The technical result of the present invention is to reduce the area of the cell.
Указанный результат достигается за счет того, что в известном устройстве фотоприемной ячейки предложено:The specified result is achieved due to the fact that in the known device of the photodetector cell it is proposed:
- электрическую схему под управлением сигналов координатной выборки соединять с приповерхностной областью первого типа проводимости и осуществлять подачу режимного напряжения считывания на нее,- connect the electrical circuit under the control of coordinate sampling signals to the near-surface region of the first type of conductivity and supply the read mode voltage to it,
- сформировать для переноса в схему считывания накопленных за время экспозиции зарядов носителей тока первой полярности из низлежащих областей первого типа проводимости в областях второго типа прводимости, расположенных между всеми областями первого типа проводимости, вертикальный канал путем соответствующего выбора в областях, принадлежащих каналу, концентраций барьерных и базовых областей, а также их толщины, обеспечивающего наличие в областях первого типа проводимости потенциальных ям для носителей тока первой полярности, достаточной величины для собирания и хранения зарядов фотоносителей тока первой полярности без взаимовлияния,- to form for transfer into the reading circuit accumulated during the exposure of the charge carriers of the first polarity from the lower regions of the first conductivity type in the regions of the second conductivity type located between all areas of the first conductivity type, the vertical channel by appropriate selection in the areas belonging to the channel, the concentration of the barrier and base regions, as well as their thickness, which ensures the presence in the regions of the first type of conductivity of potential wells for current carriers of the first polarity, full-time value for collecting and storing the charges of photocarriers of current of the first polarity without interference,
- причем схему считывания выполнить таким образом, чтобы она обеспечивала подачу последовательно во времени на приповерхностную область первого типа проводимости режимных напряжений считывания относительно базовых областей величиной, кратной номеру потенциальной ямы, из которой она производит считывание, и соответственно достаточной для последовательного перетекания заряда от одной потенциальной ямы к другой и в схему считывания из первой, второй, третьей и т.д. потенциальных ям, принадлежащих первой, второй, третьей и т.д. областям первого типа проводимости.- moreover, the readout circuit should be implemented in such a way that it ensures that the read-through mode voltage of the readout voltage relative to the base regions is sequentially in time to the near-surface region of the first type of conductivity by a multiple of the number of the potential well from which it reads and, accordingly, is sufficient for the charge to flow sequentially from one potential pits to another and to the reading circuit from the first, second, third, etc. potential holes belonging to the first, second, third, etc. areas of the first type of conductivity.
Указанный выше технический результат достигается совокупностью перечисленных выше новых признаков изобретения.The above technical result is achieved by the combination of the above new features of the invention.
Уменьшение площади ячейки достигается за счет того, что она имеет всего один контакт к приповерхностной области первого типа проводимости (не считая общего для всех ячеек контакта к базовым слоям) и соответствующего уменьшения количества схем считывания до одной.The decrease in the cell area is achieved due to the fact that it has only one contact to the near-surface region of the first type of conductivity (not counting the common contact of the base layers for all cells) and a corresponding reduction in the number of readout circuits to one.
Перечень графических материалов, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение:The list of graphic materials illustrating a device that implements the claimed invention:
Фиг.1 иллюстрирует известное устройство (прототип).Figure 1 illustrates a known device (prototype).
Фиг.2 иллюстрирует предлагаемое устройство.Figure 2 illustrates the proposed device.
Фиг.3а показывает потенциальный рельеф в структуре для полностью заполненных носителями потенциальных ям (кривая 1), для полностью пустых ям (кривая 2), для различных комбинаций заполненных (в т.ч. частично) и пустых ям (кривые 3-8).Figure 3a shows the potential relief in the structure for potential wells completely filled with carriers (curve 1), for completely empty wells (curve 2), for various combinations of filled (including partially) and empty holes (curves 3-8).
Фиг.3б показывает потенциальный рельеф в структуре, обеспечивающий перетекание зарядов в схему считывания от первой потенциальной ямы при напряжении на приповерхностном электроде VD=1,6 В (кривая 1), от второй через первую при VD=3.2 В (кривая 2), от третьей через вторую и первую при VD=4,8 В (кривая 3).Fig. 3b shows a potential relief in the structure that allows charges to flow into the readout circuit from the first potential well at a voltage on the surface electrode V D = 1.6 V (curve 1), from the second through the first at V D = 3.2 V (curve 2) , from the third through the second and first at V D = 4.8 V (curve 3).
Фиг.4 показывает напряжение считывания, подаваемое на приповерхностный электрод VD для считывания зарядов из трех потенциальных ям и их восстановления.Figure 4 shows the read voltage applied to the surface electrode V D for reading charges from three potential wells and recovering them.
Фотоприемная ячейка с вертикальным разделением цветов состоит (см. фиг.2) из трех или более расположенных друг над другом полупроводниковых областей первого типа проводимости (1, 2, 3) с конфигурацией, необходимой для собирания носителей тока первой полярности, отделенных друг от друга полупроводниковыми базовыми областями (4) второго типа проводимости, с конфигурацией, необходимой для собирания и удаления носителей тока противоположной полярности, соединенными друг с другом и общим электродом, образующими с областями первого типа проводимости р-n-переходы с различными спектральными чувствительностями, и обеспечивающие электроизоляцию областей первого типа проводимости друг от друга и от базовых областей, барьерные области (5, 6, 7), расположенные в базовых областях под областями первого типа проводимости, электрическую схему считывания (8), осуществляющую под управлением сигналов координатной выборки соединение с приповерхностной областью (1) первого типа проводимости и подачу на нее напряжения считывания, вертикальный канал (9), сформированный в областях второго типа проводимости (4), расположенных между всеми областями первого типа проводимости (1, 2, 3), путем соответствующего выбора в областях, принадлежащих каналу, концентраций барьерных (5, 6, 7) и базовых (10, 11) областей, а также их толщины, обеспечивающего наличие в областях первого типа проводимости потенциальных ям для носителей тока первой полярности, достаточной величины для собирания и хранения зарядов фотоносителей тока первой полярности без взаимовлияния, причем схема считывания (8) выполнена таким образом, что обеспечивает подачу последовательно во времени на приповерхностную область (1) первого типа проводимости режимных напряжений считывания относительно базовых областей (4) величиной, кратной номеру потенциальной ямы, из которой она производит считывание, и соответственно достаточной для последовательного перетекания заряда от одной потенциальной ямы к другой и в схему считывания из первой, второй, третьей и т.д. потенциальных ям, принадлежащих первой (1), второй (2), третьей (3) и т.д. областям первого типа проводимости.A photodetector cell with vertical color separation (see Fig. 2) consists of three or more semiconductor regions of the first type of conductivity located above each other (1, 2, 3) with the configuration necessary for collecting current carriers of the first polarity separated from each other by semiconductor the base regions (4) of the second type of conductivity, with the configuration necessary for collecting and removing current carriers of opposite polarity, connected to each other and a common electrode, forming with regions of the first type of conductivity there are pn junctions with different spectral sensitivities, and providing electrical isolation of the regions of the first conductivity type from each other and from the base regions, barrier regions (5, 6, 7) located in the base regions under the regions of the first conductivity type, the readout circuit ( 8) which, under the control of coordinate sampling signals, makes a connection with the near-surface region (1) of the first type of conductivity and the supply of readout voltage to it, a vertical channel (9) formed in the regions of the second type of conductivity range (4), located between all regions of the first type of conductivity (1, 2, 3), by appropriate selection in the areas belonging to the channel, the concentration of barrier (5, 6, 7) and base (10, 11) areas, as well as their thickness, ensuring the presence in the regions of the first type of conductivity of potential wells for current carriers of the first polarity, sufficient for collecting and storing the charges of photocarriers of current of the first polarity without interference, and the reading circuit (8) is designed in such a way that it delivers sequentially time to the near-surface region (1) of the first type of conductivity of read sensing voltages relative to the base regions (4) by a multiple of the number of the potential well from which it reads and, accordingly, sufficient for the charge to flow sequentially from one potential well to another and into the readout circuit from first, second, third, etc. potential wells belonging to the first (1), second (2), third (3), etc. areas of the first type of conductivity.
Приведенные на фиг.3 и фиг.4 характеристики были расчитаны для структуры, имеющей размеры канала 1×1 мкм2, расстояния между областями (1, 2, 3) 0,6 мкм с концентрацией базовых областей в канале (10, 11) второго типа проводимости (р-тип) 1015 см-3 (подложка), толщину барьерных (5, 6, 7) областей 0,3 мкм с концентрацией второго типа проводимости (р-тип) 3 1016 см-3, их расположение - точно посередине между областями (1)-(2), (2)-(3) и ниже области (3) на границе проникновения красной составляющей света. Вертикальная структура ячейки, кроме канала, имеет в соответствии с настоящим изобретением зону изолирующих базовых областей (4) второго типа проводимости (р-тип) с концентрацией 2·1017 см-3 и барьерных (5, 6, 7) областей (р-тип) с концентрацией 3·1016 см-3. Ширина этой зоны 0,3 мкм. Концентрации во всех областях структуры кроме подложки имеют Гауссово распределение. Шаг ячейки вместе с транзистором схемы выборки при размерах областей (1, 2, 3), не выходящих за пределы канала, не превышает 2 мкм при длине затвора 0.25 мкм.The characteristics shown in FIG. 3 and FIG. 4 were calculated for a structure having a channel size of 1 × 1 μm 2 , a distance between regions (1, 2, 3) of 0.6 μm with a concentration of base regions in the channel (10, 11) of the second type of conductivity (p-type) 10 15 cm -3 (substrate), the thickness of the barrier (5, 6, 7) regions of 0.3 μm with a concentration of the second type of conductivity (p-type) 3 10 16 cm -3 , their location is exactly in the middle between regions (1) - (2), (2) - (3) and below region (3) on the penetration boundary of the red component of light. The vertical structure of the cell, in addition to the channel, in accordance with the present invention has a zone of insulating base regions (4) of the second type of conductivity (p-type) with a concentration of 2 · 10 17 cm -3 and barrier (5, 6, 7) regions (p- type) with a concentration of 3 · 10 16 cm -3 . The width of this zone is 0.3 μm. Concentrations in all areas of the structure except the substrate have a Gaussian distribution. The cell step together with the transistor of the sampling circuit with the sizes of regions (1, 2, 3) not exceeding the channel limits does not exceed 2 μm with a gate length of 0.25 μm.
Ячейка работает следующим образом:The cell works as follows:
Схема считывания (8) во время соединения подает последовательно во времени (см. фиг.4) на приповерхностную область (1) первого типа проводимости режимные напряжения считывания относительно базовых областей (4) величиной, кратной номеру потенциальной ямы, из которой она производит считывание, и соответственно достаточной для последовательного перетекания заряда от одной потенциальной ямы к другой и в схему считывания из первой, второй, третьей и т.д. потенциальных ям, принадлежащих первой (1), второй (2), третьей (3) и т.д. областям первого типа проводимости. После переноса заряда из последней (на фиг.2 - третьей области) потенциальной ямы и снятия напряжения считывания вторая и третья потенциальные ямы восстанавливаются (см. фиг.3, кривая 4). Затем восстанавливается первая потенциальная яма подачей на область (1) соответствующего напряжения считывания (см. фиг.3, кривая 2). После этого связь схемы считывания с областью (1) размыкается и все потенциальные ямы оказываются предустановленными и переходят в фазу накопления фотоносителей, созданных светом, каждая - в зоне, ограниченной барьерными областями.The readout circuit (8) during connection connects sequentially in time (see Fig. 4) to the near-surface region (1) of the first type of conductivity, the readout operating voltages relative to the base regions (4) by a multiple of the number of the potential well from which it reads, and, accordingly, sufficient for the successive transfer of charge from one potential well to another and into the reading circuit from the first, second, third, etc. potential wells belonging to the first (1), second (2), third (3), etc. areas of the first type of conductivity. After the charge is transferred from the last (in Fig. 2, the third region) potential well and the read voltage is removed, the second and third potential wells are restored (see Fig. 3, curve 4). Then, the first potential well is restored by applying to the region (1) the corresponding read voltage (see Fig. 3, curve 2). After this, the connection of the readout circuit with region (1) is opened and all potential wells are pre-installed and go into the accumulation phase of photocarriers created by light, each in the zone limited by the barrier regions.
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.The present description of the invention, including the composition and operation of the device, including the proposed version of its execution, involves its further possible improvement by specialists and does not contain any restrictions in terms of implementation. All claims are formulated solely in the claims.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007112015/28A RU2333569C1 (en) | 2007-04-03 | 2007-04-03 | Photoreceiving cell with vertical colour separation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007112015/28A RU2333569C1 (en) | 2007-04-03 | 2007-04-03 | Photoreceiving cell with vertical colour separation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2333569C1 true RU2333569C1 (en) | 2008-09-10 |
Family
ID=39867052
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007112015/28A RU2333569C1 (en) | 2007-04-03 | 2007-04-03 | Photoreceiving cell with vertical colour separation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2333569C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2496251C2 (en) * | 2011-01-31 | 2013-10-20 | Кэнон Кабусики Кайся | Imaging device, imaging system and imaging device driving method |
-
2007
- 2007-04-03 RU RU2007112015/28A patent/RU2333569C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2496251C2 (en) * | 2011-01-31 | 2013-10-20 | Кэнон Кабусики Кайся | Imaging device, imaging system and imaging device driving method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2666525C2 (en) | Photoelectric conversion device, ranging apparatus and information processing system | |
US7132724B1 (en) | Complete-charge-transfer vertical color filter detector | |
KR102013089B1 (en) | Vertically stacked image sensor | |
Barbe | Imaging devices using the charge-coupled concept | |
US6462365B1 (en) | Active pixel having reduced dark current in a CMOS image sensor | |
EP0042218B1 (en) | Semiconductor image sensor and a method of operating the same | |
TWI430660B (en) | Backside illuminated image sensor with global shutter and storage capacitor | |
CN106463457B (en) | Imaging sensor and electronic equipment | |
US8804021B2 (en) | Method, apparatus and system for providing improved full well capacity in an image sensor pixel | |
US9659987B2 (en) | Approach for reducing pixel pitch using vertical transfer gates and implant isolation regions | |
US9443900B2 (en) | Pixel with multigate structure for charge storage or charge transfer | |
CN103579264B (en) | For manufacturing the system and method for 3D rendering sensor construction | |
CN110581147A (en) | Image sensor with multi-photodiode image pixels and vertical transfer gate | |
WO2018018762A1 (en) | Composite dielectric grate-based double-device photosensitive detection unit, detector and method therefor | |
US7446357B2 (en) | Split trunk pixel layout | |
US7339216B1 (en) | Vertical color filter sensor group array with full-resolution top layer and lower-resolution lower layer | |
TW201539728A (en) | Image sensor with dielectric charge trapping device | |
Hynecek | BCMD-An improved photosite structure for high-density image sensors | |
CN108140653A (en) | Imaging sensor and image sensor pixel with JFET source followers | |
US6794692B2 (en) | Solid-state image pick-up device | |
TWI523214B (en) | Pixel cell for an image sensor and imaging system | |
US20180027193A1 (en) | Quantum film pixels with low readout noise | |
RU2333569C1 (en) | Photoreceiving cell with vertical colour separation | |
CN103581580A (en) | Ground contact structure for low dark current CMOS pixel cell | |
US11647641B2 (en) | Photo-sensitive device and a method for light detection in a photo-sensitive device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110404 |