Мультиспектральный матричный фотоприемник

Предлагаемая полезная модель относится к микроэлектронике, в частности, к производству интегральных многоэлементных матричных фотоприемников.
Известен матричный фотоприемник с системой цветоделения (патент US №5965875, публ. 12.10.1999, МПК G01J3/50), содержащий слоистую кремниевую ячейку, изготовленный на стандартных комплементарных металлооксидных полупроводниках, с тремя слоями: слой R, слой G и слой В. Три разделенных р-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 - толщина слоя 2,0 мкм, слой G - толщина 0,6 мкм, слой В - 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 цвета, фотодиоды, созданные чередованием зон проводимости первого и второго типа, размещены один под другим на определенных глубинах.
Недостатком настоящего технического решения является возможность работы только в видимом диапазоне спектра.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является матричный фотоприемник (V.L. Zhbanova, Yu. В. Parvulyusov, V. A. Solomatin. Multispectral matrix silicon photodetectors with the IR range registration // Journal of Physics: Conference Series. 1679 (2020) 022039), содержащий подложку р-типа, на которой расположена группа ячеек, выполненная в виде первой и второй ячеек, чередующихся между собой, к примеру, в шахматном порядке. Первая ячейка содержит две зоны проводимости, а именно слой В р-типа, расположенный в непосредственном контакте со слоем R n-типа, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой р-типа. Вторая ячейка содержит две зоны проводимости, а именно, слой G р-типа, расположенный в непосредственном контакте со слоем IR n-типа, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой p-типа.
Недостатком настоящего технического решения является низкая функция передачи модуляции для ячеек зеленого и инфракрасного спектров.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является улучшение функции передачи модуляции для ячеек зеленого и инфракрасного спектров.
Технический результат заключается в повышении функции передачи модуляции.
Это достигается тем, что известный матричный фотоприемник, содержащий подложку p-типа, на которой расположена группа ячеек, выполненная в виде первой и второй ячеек, чередующихся между собой, при этом на поверхности первой ячейки расположен первый электрод, на поверхности второй ячейки расположен второй электрод, при этом первая ячейка содержит три зоны проводимости, выполненные в виде слоя В n-типа, расположенного на расстоянии от 0,15 до 0,3 мкм от поверхности подложки с потенциальной ямой для заряда синих оттенков спектра, слоя G р-типа, расположенного в непосредственном контакте со слоем В n-типа и на расстоянии от 0,55 до 0,7 мкм от поверхности подложки с потенциальной ямой для заряда зеленых оттенков спектра, и слоя IR n-типа, расположенного в непосредственном контакте со слоем G p-типа и на расстоянии от 4,5 до 10 мкм от поверхности подложки с потенциальной ямой для заряда инфракрасного спектра, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой р-типа, вторая ячейка содержит три зоны проводимости, выполненные в виде слоя G n-типа, расположенного на расстоянии от 0,55 до 0,7 мкм от поверхности подложки с собственной потенциальной ямой для заряда зеленых оттенков спектра, слоя R p-типа, расположенного в непосредственном контакте со слоем G n-типа и на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра, и слоя IR n-типа, расположенного в непосредственном контакте со слоем R р-типа и на расстоянии от 4,5 до 10 мкм от поверхности подложки с собственной потенциальной ямой для заряда инфракрасного спектра, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой р-типа.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены ячейки предлагаемого мультиспектрального матричного фотоприемника (вид в разрезе), на фиг. 2 показаны кривые функции передачи модуляции при интерполяции сигналов прототипа, на фиг. 3 показаны кривые функции передачи модуляции при интерполяции сигналов предлагаемой полезной модели.
Матричный фотоприемник содержит подложку р-типа 1, на которой расположена группа ячеек, выполненная в виде первой 2 и второй 3 ячеек, чередующихся между собой, к примеру, 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 три зоны проводимости, выполненные в виде слоя В n-типа 6, расположенного на расстоянии от 0,15 до 0,3 мкм от поверхности подложки с потенциальной ямой для заряда синих оттенков спектра 7, слоя G р-типа 8, расположенного в непосредственном контакте со слоем В n-типа 6 и на расстоянии от 0,55 до 0,7 мкм от поверхности подложки с потенциальной ямой для заряда зеленых оттенков спектра 9, и слоя IR n-типа 10, расположенного в непосредственном контакте со слоем G p-типа 8 и на расстоянии от 4,5 до 10 мкм от поверхности подложки с потенциальной ямой для заряда зеленых оттенков спектра 11, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой р-типа 1.
Вторая ячейка 3 содержит три зоны проводимости, выполненные в виде слоя G n-типа 12, расположенного на расстоянии от 0,55 до 0,7 мкм от поверхности подложки с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра 13, слоя R p-типа 14, расположенного в непосредственном контакте со слоем G n-типа 12 и на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра 15, и слоя IR n-типа 16, расположенного в непосредственном контакте со слоем R р-типа 14 и на расстоянии от 4,5 до 10 мкм от поверхности подложки с потенциальной ямой для заряда инфракрасного спектра 17, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой р-типа 1.
К каждому слою (и к подложке) подведен отдельный металлический контакт по стандартной технологии, предназначенный для вывода соответствующего фотосигнала.
При этом первая 2 и вторая 3 ячейки маскированы оксидом кремния по стандартной технологии.
Обе ячейки выполнены на основе слоистого кремния.
Электрод выполнен из поликристаллического кремния прозрачного для фотонов толщиной 0,2 мкм.
Размер площади ячеек может быть выбран от 3 мкм до 26 мкм в зависимости от требуемого динамического диапазона и разрешающей способности матричного фотоприемника.
Толщины полупроводниковых областей выбраны из соображений выделения четырех отдельных спектральных диапазонов длин волн оптического излучения, и исходя из стандартной характеристики поглощения света в кремнии в зависимости от длины волны и глубины залегания потенциальной ямы.
Мультиспектральный матричный фотоприемник работает следующим образом.
Свет падает на 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 зеленого спектра преобразуются в заряд в слое G 8, затем накапливаются в потенциальной яме для заряда зеленых оттенков спектра 9, фотоны инфракрасного спектра преобразуются в заряд в слое IR 10, затем накапливаются в потенциальной яме для заряда инфракрасного спектра 11. 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 12 и накапливается в потенциальной яме заряда зеленых оттенков спектра 13, фотоны красного спектра преобразуются в заряд в слое R 14 и накапливаются в потенциальной яме для заряда красных оттенков спектра 15, фотоны инфракрасного спектра преобразуются в заряд в слое IR 16, затем накапливаются в потенциальной яме для заряда инфракрасного спектра 17. Далее в матричном фотоприемнике происходит считывание заряда как в стандартной полнокадровой матрице или с буферизацией столбцов.
Благодаря размещению слоев G и IR в первой и второй ячейке, повышаются функции передачи модуляции этих слоев, которые наиболее важны для получения мультиспектрального изображения. Предлагаемый матричный фотоприемник позволяет более точно регистрировать инфракрасное излучение, не воспринимаемое человеческим зрением. Зеленый цвет наиболее важен для человеческого зрения, т.к. на него приходится максимум яркостной характеристики восприятия человека.
Применение в каждой ячейке не более трех слоев позволяет избежать повышения шумов, и, как следствие, способствует достижению хорошего качества сигналов.
Экспериментально установлено, что в предлагаемом матричном фотоприемнике при интерполяции цветов, функция передачи модуляции для зеленого и инфракрасного спектров будут иметь максимальное значение - равное единице (на фиг. 3 показаны кривая синим цветом для функций сигналов с G и IR, зеленым цветом - В и R). На фиг. 2 представлена кривая для функций всех сигналов В, G, R, IR фотоприемника прототипа).
Наличие в каждой ячейке двух слоев регистрации видимого и одного слоя - инфракрасного спектра делает предлагаемый матричный фотоприемник мультиспектральным и позволяет более успешно применять его в таких областях, как аэрофотосъемка и спектроскопия.
Таким образом, наличие в каждой ячейке предлагаемого матричного фотоприемника слоев IR и G позволяет регистрировать на одном устройстве дневное и ночное изображения в равных долях.
Использование полезной модели позволяет повысить функции передачи модуляции матричного фотоприемника.