ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ, ОПТИМИЗИРОВАННЫЙ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ВИДИМОГО СВЕТА
SEMICONDUCTOR RADIATION DETECTOR OPTIMISED FOR DETECTION OF VISIBLE LIGHT

Область техники
Изобретение относится к полупроводниковым детекторам излучения и, более конкретно, к полупроводниковому детектору излучения с модифицированным внутренним затвором.
Уровень техники
Излучение в полупроводниковом материале преобразуется в электронно-дырочные пары. В полупроводниковых детекторах излучения электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем. Тип заряда электронно-дырочной пары, который измеряется, называется сигнальным зарядом. Заряд противоположного типа называется вторичным зарядом.
Международные заявки PCT/FI 2004/000492 и PCT/FI 2005/000359, содержание которых полностью включается в данную заявку посредством ссылки, раскрывают полупроводниковый детектор излучения с модифицированным внутренним затвором (МВЗ). Этот детектор далее называется МВЗ-детектором. МВЗ-детектор освещается сзади и имеет толстую, полностью обедненную подложку и тонкий проводящий слой на задней стороне устройства. Этот проводящий слой на задней стороне выполняет три функции: при подаче требуемого смещения обеспечивает полное обеднение толстой подложки, выводит вторичные заряды из активной области устройства и выполняет функции тонкого однородного окна для ввода излучения. МВЗ-детектор обладает многими преимуществами. Создаваемые на поверхности заряды могут быть отделены от сигнальных зарядов, что обеспечивает малый шум темнового тока. Сигнальный заряд может считываться без разрушения, что позволяет считывать его многократно, тем самым снижая шум считывания. Освещение сзади и тонкое однородное окно для ввода излучения позволяют детектировать слабо проникающее излучение, такое как низкоэнергетические рентгеновские лучи и частицы с хорошим разрешением по энергии. Толстая, полностью обедненная подложка позволяет детектировать глубоко проникающее излучение.
Для подложки МВЗ-детектора выбирается материал с высоким сопротивлением, например почти беспримесный кремний, а толщина подложки составляет несколько сотен микрометров. Такой МВЗ-детектор может использоваться для детектирования частиц, рентгеновских лучей от низких до средних энергий (от ~100 эВ до ~10 кэВ) и фотонов от ультрафиолетового и синего света до ближнего инфракрасного излучения. Ближним инфракрасным излучением в данном описании называется излучение, которое не видит человеческий глаз и которое имеет длину волны менее 1,1 мкм, что является пределом детектирования для кремния. Ближнее инфракрасное излучение, длина волны которого близка к этому пределу, но ниже него, имеет очень большую глубину ослабления в кремнии, до сотен микрометров. Благодаря освещению сзади, наличию толстой, полностью обедненной подложки и наличию тонкого окна для ввода излучения МВЗ-детектор имеет большую квантовую эффективность от ближнего инфракрасного излучения до синего света. За счет толстой подложки исключается также краевой эффект. Краевой эффект является проблемой в детекторах с тонкой подложкой. В таких детекторах ближнее инфракрасное излучение перед поглощением многократно отражается между передней и задней поверхностями детектора с образованием нежелательных интерференционных паттернов. Поскольку безлунной ночью небо содержит, по меньшей мере, на порядок величины больше ближних инфракрасных фотонов, чем видимых фотонов и поскольку коэффициент отражения для ближнего инфракрасного излучения у многих материалов существенно (например, у листвы в три-шесть раз) выше, чем для видимого света, МВЗ-детектор очень хорошо применим для детектирования слабого света в приборах ночного видения.
МВЗ-детектор, однако, не очень хорошо подходит для детектирования видимого света в основанных на кремнии портативных потребительских приложениях по следующим причинам. Для обеднения толстой подложки необходимо, по меньшей мере, несколько десятков вольт. Ясно, что для портативного потребительского устройства такое напряжение слишком велико и приводит к слишком большой потребляемой мощности. Подложка из кремния с большим сопротивлением очень дорога, и ее трудно обрабатывать, что увеличивает затраты на изготовление. Трудно также надежно подключиться к проводящему слою задней поверхности с передней стороны через толстую подложку с большим сопротивлением, что было бы важно для массового производства. Большая часть генерируемого в объеме тока получается в толстой, полностью обедненной подложке, что, с высокой вероятностью, делает необходимым использование охлаждения. В портативных потребительских приложениях охлаждение детектора, однако, обычно невозможно. Резкость изображений также несколько разрушается, поскольку видимый свет поглощается на задней поверхности детектора и сигнальные заряды должны медленно перемещаться на большие расстояния, прежде чем они достигнут передней поверхности. По этой причине проблематичным также является использование цветных фильтров на задней поверхности устройства.
Глубина ослабления красного света в кремнии составляет более 10 мкм. Для синего и зеленого света глубина ослабления еще меньше. Поэтому для детектирования видимого света необязательно иметь толстую подложку. Вместо толстой подложки можно было бы использовать тонкую (типично около 10 мкм и менее 50 мкм) подложку в утончаемом с задней стороны МВЗ-детекторе. Тонкое устройство, однако, очень легко ломается, поэтому обработку задней стороны необходимо выполнять в конце процесса изготовления. Сделать это можно двумя способами. В первом передняя сторона подложки прикрепляется к поддерживающей подложке, после чего задняя сторона детектора делается тоньше. Во втором задняя сторона детектора вытравливается только ниже активной области, содержащей пиксели, а более толстая поддерживающая область оставляется по краям детектора. В обоих случаях необходимо, чтобы обработка передней стороны заканчивалась до уменьшения толщины с задней стороны. Этот факт усложняет промышленное изготовление проводящего слоя на задней стороне. Чтобы обработать очень тонкий проводящий слой на задней стороне, существуют два возможных метода, пригодных для массового производства. В первом методе проводящий слой на задней поверхности создается путем имплантации, что требует процедуры отжига при высокой температуре. Все материалы, которые используются на передней стороне устройства, такие как металлические соединительные провода, должны иметь более высокую температуру плавления, чем температура отжига. Этот факт запрещает использование многих материалов (например алюминия), которые широко применяются в интегральных микросхемах. Во втором методе на заднюю поверхность устройства осаждается тонкий слой. Однако на границе раздела между проводящим слоем и подложкой создается значительный темновой ток, и для подавления этого тока требуется охлаждение.
В случае использования МВЗ-детектора для детектирования видимого света имеется также неустранимая проблема, связанная с наличием проводящего заднего слоя. Для правильного детектирования плохо освещенных областей изображения размер кристалла должен быть большим и необходимо использовать большую оптическую апертуру. Чтобы при этом получить хорошую квантовую эффективность для синего света, проводящий задний слой должен быть очень тонким. Если к тому же изображение содержит очень яркие области, в проводящем заднем слое будет течь большой ток вторичных зарядов. Большой ток, текущий по проводящему заднему слою, при малой толщине и большой площади проводящего заднего слоя приводит, однако, к большому падению напряжения на сопротивлении в проводящем заднем слое. Это падение напряжения на сопротивлении снижает качество изображения и может приводить к неправильной работе детектора, особенно при очень малой толщине детектора.
Другая проблема МВЗ-детектора состоит в том, что для стирания сигнального заряда в МВЗ требуется относительно высокое напряжение, особенно при желании получить большой динамический диапазон, т.е. большую емкость для сигнальных зарядов в МВЗ. Еще одна проблема состоит в том, что в некоторых случаях в МВЗ-детекторах следовало бы улучшить развязку зарядов, создаваемых поверхностью, и сигнальных зарядов.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание полупроводникового детектора излучения, содержащего модифицированный внутренний затвор, в котором устраняются проблемы, создаваемые проводящим задним слоем. Другая задача состоит в том, чтобы получить структуру для полупроводникового детектора излучения, при которой сигнальный заряд может стираться малым напряжением. Еще одной задачей является получение средств для более полного разделения генерируемых поверхностью зарядов и сигнальных зарядов.
Решение названных задач достигается в полупроводниковом детекторе излучения, который содержит подложку из полупроводникового материала, причем на передней стороне подложки в указанном далее порядке расположены: слой модифицированного внутреннего затвора из полупроводника с электропроводностью второго типа, запирающий слой из полупроводника с электропроводностью первого типа и пиксельные легирования из полупроводника с электропроводностью второго типа, адаптированные к созданию пикселей, соответствующих пиксельным легированиям, хотя бы при одном значении пиксельного напряжения. Устройство характеризуется тем, что содержит первый контакт из полупроводника с электропроводностью первого типа, так что указанное пиксельное напряжение равно разности потенциалов между пиксельным легированием и первым контактом. Подложка также обладает электропроводностью первого типа, и в устройстве, на второй стороне подложки, противоположной первой стороне, отсутствует проводящий задний слой, который обычно используется для вывода вторичных зарядов из активной области детектора и в качестве окна для ввода излучения.
Изобретение строится на идее удаления проводящего заднего слоя из МВЗ-детектора. Учитывается, что вторичные заряды, генерируемые в подложке, могут собираться внутри активной области ограничителями каналов вместо того, чтобы выводиться из активной области с помощью проводящего заднего слоя. Сбор вторичных зарядов из подложки внутри активной области может быть улучшен далее введением разрывов в МВЗ-слое и структур с канавками, которые заполняются должным образом. Учитывается также, что новый МВЗ-детектор может освещаться с лицевой стороны. Однако освещаемый с лицевой стороны новый МВЗ-детектор обладает слабой чувствительностью к синему свету по следующей причине. Запирающий слой образует барьер для сигнальных зарядов между МВЗ-слоем и поверхностью устройства. Синий свет поглощается, в основном, между этим барьером и передней поверхностью детектора, и поэтому большая часть сигнальных зарядов, создаваемых синим светом, собирается пиксельными легированиями, а не МВЗ. С учетом того, что такой барьер отсутствует ниже ограничителей каналов и что площадь ограничителей каналов может использоваться как окно для ввода излучения, а также с учетом того, что ограничители каналов могут быть очень тонкими и что площадь ограничителей каналов может быть очень большой, чувствительность к синему свету освещаемого спереди устройства может быть значительно повышена.
Большая площадь ограничителей каналов снижает, однако, переносящий сигнальный заряд градиент потенциала в слое МВЗ под ограничителями каналов. Учитывается также, что этот градиент потенциала, переносящий сигнальные заряды, может быть улучшен применением структурированного, т.е. прерывистого МВЗ-слоя. Другая возможность состоит в том, чтобы изменить концентрацию легирования в запирающем слое, в МВЗ-слое или в подложке рядом с МВЗ-слоем с целью улучшения градиента потенциала, переносящего сигнальные заряды. В освещаемом спереди детекторе вторичные заряды, которые создаются в подложке, могут собираться ограничителями каналов внутри активной области и/или контактом в подложке, расположенным вне активной области на передней стороне детектора, и/или контактом в подложке, расположенным на краю детекторного кристалла или на задней стороне детекторного кристалла.
Сигнальные заряды могут стираться только малым напряжением в структуре, где в запирающем слое с электропроводностью первого типа имеется область легирования с электропроводностью второго типа или локальное ослабление легирования запирающего слоя между слоем модифицированного внутреннего затвора с электропроводностью второго типа и пиксельным легированием с электропроводностью второго типа. Данные заряды могут также стираться в структуре, где имеется канавка между легированием МВЗ-слоя и передней поверхностью детектора и где затвор управляет потоком сигнальных зарядов из слоя модифицированного внутреннего затвора к пиксельному легированию или к передней поверхности детектора через область легирования с электропроводностью второго типа, через щелевую структуру или через локальное сокращение легирования запирающего слоя.
Разделение сигнальных зарядов и созданных на поверхности зарядов может быть улучшено, например, с помощью области легирования с электропроводностью второго типа, расположенной между запирающим слоем и передней поверхностью детектора, или с помощью стробируемой структуры.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.2 показана альтернативная схема полупроводникового детектора излучения по фиг.1.
На фиг.3 показан другой вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.4 показаны электронные потенциалы полупроводникового детектора излучения по фиг.1, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки.
На фиг.5 показаны электронные потенциалы полупроводникового детектора излучения по фиг.2, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки.
На фиг.6. показаны электронные потенциалы полупроводникового детектора излучения по фиг.3, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки.
На фиг.7 показан еще один вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.8 показан детектор излучения по фиг.7 с использованием защитных структур.
На фиг.9 показаны электронные потенциалы полупроводникового детектора излучения по фиг.7, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки.
На фиг.10 показаны электронные потенциалы полупроводникового детектора излучения по фиг.8, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки.
На фиг.11 показаны четыре пикселя варианта полупроводникового детектора излучения.
На фиг.12 показаны четыре пикселя другого варианта полупроводникового детектора излучения.
На фиг.13 показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.11.
На фиг.14 показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.12.
На фиг.15 показаны четыре пикселя еще одного варианта полупроводникового детектора излучения.
На фиг.16А показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.15.
На фиг.16В показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.15.
На фиг.16С показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.15.
На фиг.16D показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.15.
На фиг.17А показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.17В показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.17С показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.17D показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.17Е показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.17F показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.17G показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.17Н показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.17G.
На фиг.17I показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.17G.
На фиг.18А показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.18В показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.18С показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.19 показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.20 показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.21 показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.22 показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.23 показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.24 показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.25 показан полупроводниковый детектор излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.
На фиг.26 показан другой вариант полупроводникового детектора излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.
На фиг.27А показано сечение полупроводниковых детекторов излучения по фиг.25 и 26.
На фиг.27В показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения по фиг.26.
На фиг.28 показан полупроводниковый детектор излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.
На фиг.29 показан другой вариант полупроводникового детектора излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.
На фиг.30 показан полупроводниковый детектор излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.
На фиг.31 показан другой вариант полупроводникового детектора излучения с модифицированным внутренним затвором и с сигналом, снимаемым с затвора.
На фиг.32А показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.
На фиг.32В показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.
На фиг.32С показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.
На фиг.32D показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.
На фиг.33А показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.
На фиг.33В показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.
На фиг.33С показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.
На фиг.34А показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.
На фиг.34В показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.
На фиг.34С показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.
На фиг.34D показана технологическая операция одного возможного процесса изготовления полупроводникового детектора излучения.
На фиг.35А показан ленточный полупроводниковый детектор излучения, известный из уровня техники.
На фиг.35В показан ленточный полупроводниковый детектор излучения, известный из уровня техники.
На фиг.36 показаны результаты моделирования.
На фиг.37 показаны результаты моделирования.
На фиг.38 показаны результаты моделирования.
На фиг.39 показаны результаты моделирования.
На фиг.40 показаны результаты моделирования.
На фиг.41 показаны результаты моделирования.
На фиг.42 показаны результаты моделирования.
На фиг.43 показаны результаты моделирования.
На фиг.44А показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.44В показан вариант полупроводникового детектора излучения.
На фиг.44С показан вариант полупроводникового детектора излучения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематично показан, в сечении, полупроводниковый детектор излучения, который предпочтительно является тонким и освещается сзади. Передняя поверхность 101 полупроводникового детектора излучения на чертеже ориентирована вверх. Задняя поверхность 102 полупроводникового детектора излучения, через которую излучение проникает в детектор, на чертеже ориентирована вниз. На задней поверхности может быть необязательное просветляющее или сцинтилляционное покрытие. Подложка 103 детектора сделана из полупроводникового материала с электропроводностью первого типа. Первый и второй типы электропроводности в данном описании ассоциированы с полупроводниками с акцепторными и донорными примесями, обладающими избытком положительных и отрицательных зарядов соответственно (или наоборот). На передней стороне детектора, если следовать от задней поверхности к передней поверхности, имеется сначала слой 104 с электропроводностью второго типа, который далее называется слоем модифицированного внутреннего затвора (МВЗ). На устройстве по фиг.1 имеются промежутки в МВЗ-слое. Перед МВЗ-слоем 104 снова располагается слой 105 с электропроводностью первого типа, называемый в данном описании запирающим слоем. Поверх слоя 105 могут располагаться защитные изоляционные слои и проводящие слои, составляющие монтажные соединения, управляющие электроды, конденсаторы и т.п.
P
В запирающем слое 105 на передней поверхности детектора делаются структурированные, желательно пикселообразные, ионные легирования 111, 112, 113, 114, 115 с электропроводностью второго типа, которые далее называются пиксельными легированиями. Смещенные легирования 121, 122, 123, 124, 125 ограничителей каналов с электропроводностью первого типа располагаются между или рядом с пикселями. Штриховая линия 150 показывает границу области обеднения, когда между пиксельными легированиями и легированиями ограничителей каналов прикладывается смещающее напряжение V. В варианте по фиг.1 области обеднения для индивидуальных пикселей не объединяются и подложка оказывается под тем же потенциалом, что и примеси ограничителей каналов. Смещенные легирования ограничителей каналов собирают все вторичные заряды, создаваемые внутри полупроводникового детектора излучения, включая вторичные заряды, создаваемые внутри подложки. Таким образом, вторичные заряды собираются внутри активной области, которая содержит пиксели, и не нужно специально выводить вторичные заряды из активной области. По этой причине проводящий слой на задней стороне подложки не требуется.
P
C
Линия 160 разреза перпендикулярна передней и задней поверхностям и проходит через пиксельное легирование. Линия 170 разреза также перпендикулярна передней и задней поверхностям, но проходит через легирование ограничителя канала. Кривые электронного потенциала на линиях 160 и 170 разреза, соответствующие случаю, когда первым типом электропроводности является n-тип, а вторым типом электропроводности является р-тип, представлены на фиг.4. Кривая 403 электронного потенциала на линии 170 разреза является прямой горизонтальной линией, соответствующей оси расстояний. Прямые горизонтальные участки кривых потенциальной энергии соответствуют нейтральным областям, а наклонные участки соответствуют обедненным областям. Кривая 402 электронного потенциала соответствует линии 160 разреза и представляет случай, когда разность потенциалов между легированием ограничителя канала и пиксельным легированием составляет V. Внутри МВЗ-слоя формируется трехмерный минимум 412 потенциальной энергии для дырок, которые в этом случае являются сигнальными зарядами. Количество дырок в этом трехмерном минимуме потенциальной энергии может быть определено по уменьшению эффективной ширины канала полевого транзистора (ПТ) или по уменьшению эффективной ширины базы биполярного транзистора. На фиг.4 это соответствует уменьшению ширины 415. Область 416 внутри запирающего слоя является областью трехмерной седловой точки как для электронов, так и для дырок. Кривая 401 электронного потенциала на линии 160 разреза соответствует случаю, когда между легированиями ограничителей каналов и пиксельными легированиями прикладывается стирающее напряжение V. В этом случае трехмерный минимум 412 потенциальной энергии для дырок исчезает и сигнальные заряды собираются пиксельными легированиями.
P
C
P
C
На фиг.2 схематично показано сечение предпочтительно тонкого и освещаемого сзади полупроводникового детектора излучения, имеющего, подобно устройству по фиг.1, промежутки в МВЗ-слое. В этом случае, однако, напряжение смещения между легированиями ограничителей каналов и пиксельными легированиями настолько велико, что образуется единая объединенная область 250 обеднения. Пиксельное легирование 215 является охранным кольцом, окружающим активную область. Кривые электронного потенциала на линиях 260 и 270 разреза показаны на фиг.5. Когда разность потенциалов между легированием ограничителя канала и пиксельным легированием равна V, кривая 502 электронного потенциала соответствует линии 260 разреза, а кривая 503 электронного потенциала соответствует линии 270 разреза. Если разность потенциалов между легированием ограничителя канала и пиксельным легированием равна V, кривая 501 электронного потенциала соответствует линии 260 разреза, а кривая 504 электронного потенциала соответствует линии 270 разреза. Нейтральная область 513 на кривых 503 и 504 соответствует ограничителям каналов. Нейтральная область справа рядом с задней стороной устройства на кривых 501-504 электронного потенциала соответствует нейтральной подложке, которая не подключена. Когда разность потенциалов между легированиями ограничителей каналов и пиксельными легированиями равна V, т.е. лежит в интервале объединения сигнальных зарядов, на кривой 503 имеется барьер 514 потенциальной энергии для электронов вторичного заряда, которые собираются подложкой. Когда разность потенциалов между легированиями ограничителей каналов и пиксельными легированиями равна V, барьер потенциальной энергии на кривой 504 отсутствует и вторичные заряды, которые собираются подложкой в интервале объединения сигнальных зарядов, могут свободно перетекать к легированиям ограничителей каналов.
На фиг.3 схематично показано сечение предпочтительно тонкого и освещаемого сзади полупроводникового детектора излучения, имеющего непрерывный МВЗ-слой 304. Штриховая кривая 350 является границей области обеднения. Подложка в этом варианте детектора, как и в детекторе по фиг.2, не подключена. Принцип работы полупроводникового детектора излучения по фиг.3, проиллюстрированный на фиг.6, соответствует принципу работы полупроводникового детектора излучения по фиг.2.
Устройства по фиг.1-3 являются предпочтительно тонкими, освещаемыми сзади полупроводниковыми детекторами излучения. В тонких детекторах ближнее инфракрасное излучение должно отфильтровываться, чтобы устранить краевой эффект. Детекторы по фиг.1-3 могут также освещаться спереди. В этом случае желательно, чтобы подложка была толщиной в несколько сотен микрометров, а область обеднения на передней стороне детектора - всего несколько микрометров. Благодаря толстой подложке отпадает необходимость отфильтровывать ближнее инфракрасное излучение. Детекторы по фиг.1-3 могут также иметь дополнительные слои и структуры, такие как просветляющие покрытия, цветные фильтры, микролинзы, сцинтилляционные слои и т.п. Следует заметить, что в случае освещения с передней стороны возможные материальные слои на задней стороне подложки не являются существенными для использования устройства и что в случае освещения сзади возможные материальные слои на передней стороне устройства не являются существенными для его применения. В детекторах по фиг.1-3 вторичные заряды собираются внутри активной области легированиями ограничителей каналов, т.е. проводящий слой на задней поверхности не нужен. Таким образом удается избежать трудностей, связанных с изготовлением тонкого проводящего слоя на задней стороне тонкого детектора и с работой такого детектора.
На фиг.7 показан освещаемый спереди вариант полупроводникового детектора излучения, в котором часть вторичных зарядов собирается легированиями ограничителей каналов, а часть - легированием с электропроводностью первого типа, действующим в качестве контакта 725 с подложкой. Этот контакт 725 находится на передней стороне детектора, но он также может быть на задней стороне детектора или на краю 700 детекторного кристалла. Если легирование 715 формирует пиксель, желательно, чтобы легирования ограничителей каналов были при том же потенциале, что и контакт 725. Принцип работы такого детектора представлен на фиг.9. Граница 750 области обеднения также изображена на фиг.7.
P
C
CS
На фиг.9 показана ситуация, когда первым типом электропроводности является n-тип, а вторым типом проводимости - р-тип. Кривые 901 и 902 на фиг.9 представляют потенциальные энергии электрона на линии 760 разреза, которая проходит через пиксельное легирование. Кривая 901 соответствует ситуации, когда пиксельное легирование 111 подсоединено к потенциалу V, а кривая 902 соответствует ситуации, когда на пиксельное легирование 111 подается стирающее напряжение V. Кривая 903 представляет потенциальную энергию электрона на линии 770 разреза. Трехмерная седловая точка 914 как для электронов, так и для дырок формирует барьер для электронов вторичного заряда. Часть вторичных зарядов, таким образом, собирается контактом 725. Если легирование 715 формирует охранное кольцо, окружающее активную область, легирования ограничителей каналов и контакт 725 подложки могут находиться под разными потенциалами. Эта ситуация показана на фиг.10. Кривая 1003 на фиг.10 представляет потенциальную энергию электрона на линии 770 разреза. Нейтральная подложка и ограничители каналов в этом случае находятся под различными потенциалами, т.е. нейтральная подложка находится под нулевым потенциалом, а ограничители каналов - под потенциалом V.
На фиг.8 показан другой освещаемый спереди вариант полупроводникового детектора излучения. В этом детекторе дополнительные охранные кольца 816, 817 и 818 окружают внутреннее охранное кольцо 215. Благодаря структурированному МВЗ-слою никакие структуры с канавками в этих охранных кольцах не нужны. Слой 808 является необязательным слоем полупроводника с электропроводностью первого типа. Желательно, чтобы слой 808 имел значительно более высокое сопротивление, чем подложка. Желательно также, чтобы он получался эпитаксиальным выращиванием. Слой 808 может также быть глубокой потенциальной ямой, причем в этом случае он может быть структурирован. На фиг.8 показана также граница 850 области обеднения. Если необязательный слой 808 не используется, принцип работы детектора по фиг.8 точно соответствует характеристикам, представленным на фиг.10, т.е. кривые 901 и 902 потенциальной энергии электрона соответствуют линии 860 разреза, а кривая 1003 потенциальной энергии электрона соответствует линии 870 разреза. Если необязательный слой 808 используется, единственным отличием от фиг.10 является то, что потенциальные кривые 901, 902 и 1003 обрываются, по существу, на границе раздела слоя 808 и подложки, обладающей низким сопротивлением. Желательно, чтобы необязательный слой 808 был сделан из полупроводникового материала с электропроводностью первого типа, но он также может быть сделан из полупроводникового материала с электропроводностью второго типа. Это, однако, потребовало бы технологической операции вытравливания глубоких канавок через такой необязательный слой, чтобы избежать большого тока утечки, возникающего на краю детекторного кристалла.
Следует отметить, что ограничители каналов в детекторах по фиг.7 и 8 могли бы быть неподключенными в том смысле, что вторичный ток тек бы с ограничителей каналов через потенциальный барьер, образуемый в МВЗ-слое, к подложке, где он собирался бы контактом 725 подложки. В случае неподключенных ограничителей каналов полупроводниковым материалом является кремний, диоксид кремния (который далее для краткости именуется оксидом) используется в качестве изоляционного материала, а первым типом электропроводности является n-тип. Никаких легирований ограничителей каналов не требуется. В этом случае положительный заряд оксида приводит к накоплению слоя электронов на границе раздела кремния и оксида. Этот двумерный (2М) слой газа электронов функционирует как ограничитель канала. Двумерный слой газа электронов или дырок может быть сформирован также искусственно на границе раздела между полупроводником и изолятором при использовании правильно смещенной МОП-структуры. В этом случае двумерный слой газа зарядов и МОП-структура образуют ограничитель канала. Область ограничителя канала, таким образом, может быть сформирована из двумерного слоя газа зарядов или из легирования ограничителя канала, или из того и другого. Детекторы по фиг.7 и 8 могут иметь разрывы в МВЗ-слое точно так же, как детекторы по фиг.1 и 2. Если ограничители каналов и подложка смещаются различными потенциалами, разрывы в МВЗ-слое должны быть такими, чтобы никакой ток не тек между подложкой и ограничителями каналов. Если ограничители каналов не находятся под различными потенциалами, разрывы в МВЗ-слое могут быть произвольно широкими. В этом случае ограничители каналов либо не подключены, либо находятся под тем же потенциалом, что и подложка.
Важно отметить, что фиг.7-10 изображены не в масштабе, поскольку подложка на самом деле значительно толще, чем показано на чертеже, т.е. желательно, чтобы подложка была толщиной во многие сотни микрометров. Желательно также, чтобы подложка имела малое сопротивление, т.е. значительно меньшее, чем почти беспримесная подложка, представленная в заявках PCT/FI 2004/000492 и PCT/FI 2005/000359. В полупроводниковых детекторах излучения по фиг.7-8 часть вторичных зарядов собирается внутри активной области легированиями ограничителей каналов, а часть вторичных зарядов переносится через подложку к контакту 725 подложки. Благодаря переднему освещению и низкому сопротивлению подложки никакого проводящего слоя на задней поверхности не требуется. Трудности, связанные с изготовлением тонкого проводящего слоя на задней поверхности тонкого детектора и с работой такого детектора, таким образом, обходятся.
Основное различие между описанными ранее вариантами детектора с задним и с передним освещениями состоит в том, что освещаемые спереди детекторы намного дешевле в изготовлении, чем освещаемые сзади детекторы. При этом освещаемые спереди детекторы имеют меньший коэффициент заполнения и поэтому меньшую квантовую эффективность в видимом диапазоне спектра, чем освещаемые сзади детекторы.
На фиг.11 показан вариант полупроводникового детектора излучения, в котором сигнальные заряды могут стираться с использованием только малого напряжения, т.е. пиксельные легирования не должны подключаться к стирающему напряжению для удаления сигнального заряда. Область 1191 не принадлежит МВЗ-слою в том смысле, что она соответствует маске МВЗ-слоя. Область 1191, образующая разрыв в МВЗ-слое, помогает собирать сигнальные заряды, улучшая градиент потенциала, переносящий сигнальные заряды в МВЗ-слое. Легирование 1121 ограничения канала собирает вторичные заряды. На фиг.11 имеются четыре пикселя, из которых линия 1180 разреза частично разрезает два пикселя. Линия 1180 разреза соответствует сечению, представленному на фиг.13. Пиксельные легирования 1331, 1332 и 1333 с электропроводностью второго типа являются легированиями истока и стока сдвоенного полевого МОП-транзистора, принадлежащего одному пикселю, а проводники 1341 и 1342 являются затворами сдвоенного МОП-транзистора. Пиксельные легирования 1335, 1336 и 1337 являются легированиями истока и стока, а проводники 1344 и 1345 - затворами двойного МОП-транзистора, принадлежащего другому пикселю. Сигнальные заряды собираются в необязательных локальных усилениях 1392 легирований МВЗ-слоя, которые располагаются под затворами. Локальное усиление легирования МВЗ-слоя под затвором полевого транзистора или под эмиттером биполярного транзистора улучшает динамический диапазон детектора. Сигнальные заряды могут перемещаться внутри пикселя между локальными усилениями 1392 легирований МВЗ-слоя при подходящих смещениях примесей истока и стока, а также затворов. Это обеспечивает возможность многократного считывания сигнального заряда, что снижает шум считывания.
На передней стороне устройства имеется пиксельное легирование 1334 с электропроводностью второго типа, работающее как стирающий контакт. Между МВЗ-слоем и стирающим контактом 1334 имеется легированная область 1393 с электропроводностью второго типа, которая может быть создана ионной имплантацией при средней энергии. В другом варианте области 1334, 1393 контакта и легирования соответственно представляют собой канавку, заполненную полупроводниковым материалом с электропроводностью второго типа. Поток сигнальных зарядов с МВЗ-слоя через легированную область 1393 управляется затвором 1343. Такая компоновка обеспечивает стирание сигнального заряда малым напряжением, причем она может использоваться и как структура, предотвращающая расплывание изображения. Слой 1307 является защитным изолирующим слоем, который предпочтительно состоит из двуокиси кремния, но может быть изготовлен из любого другого изолирующего материала. Важно отметить, что контактные отверстия через изолирующий слой 1307 и контакты на фиг.13 для ясности не показаны.
На фиг.12 показан другой вариант полупроводникового детектора излучения, в котором сигнальный заряд может стираться приложением только малого напряжения. Легирование 1221 ограничителя канала собирает вторичные заряды. Линия 1280 разреза соответствует сечению, показанному на фиг.14. Затвор 1343 МОП-транзистора по фиг.11 заменяется легированием 1443 с электропроводностью первого типа, которая действует как затвор на полупроводниковом переходе, управляющий потоком сигнальных зарядов с МВЗ-слоя на переднюю поверхность детектора. Легирование 1443 окружено круговым пиксельным легированием 1433 с электропроводностью второго типа, действующей как истоковое/стоковое легирование четырех сдвоенных МОП-транзисторов. Легирование 1434 с электропроводностью второго типа, действующее как контакт стирания сигнального заряда, соединяется с МВЗ-слоем с помощью изоляционного материала 1494, который осаждается на стенках канавки. Изоляционным материалом 1494 предпочтительно является диоксид кремния, который заряжен положительно. Благодаря положительным зарядам оксида на границе раздела диоксида кремния и кремния формируется двумерный слой электронного газа. Если первым типом проводимости является р-тип, а вторым типом проводимости является n-тип, то сигнальными зарядами являются электроны. Таким образом, электроны сигнального заряда протекают в двумерном слое электронного газа от МВЗ-слоя к легированию 1434, если на затвор 1443 подано правильное смещение.
Легирование ограничителя канала должно быть очень большим, подобным легированию 1221 ограничителя канала по фиг.12, если слой 1307 изолятора заряжен положительно и если первым типом проводимости является р-тип, а вторым типом проводимости является n-тип. В этом случае легирование ограничителя канала действует как окно для ввода излучения. Желательно, чтобы ниже большого по площади легирования 1221 ограничителя канала также был структурирован МВЗ-слой. Если изолирующий слой 1307 положительно заряжен и если первым типом электропроводности является n-тип, а вторым типом электропроводности является р-тип, легирование ограничителя канала может быть очень малым, как легирование 1121 ограничителя канала по фиг.11. В этом случае двумерный слой электронного газа имеется на границе раздела между изолирующим слоем 1307 и материалом полупроводника везде, за исключением близкой окрестности пиксельных легирований 1331-1337 и затворов 1341-1345. Двумерный слой электронного газа и изолирующий слой 1307 действуют в этом случае как ограничитель канала и как окно для ввода излучения, которое может быть очень тонким. Кроме того, двумерный слой электронного газа переносит вторичные заряды к легированию 1121 ограничителя канала. К тому же, обладающее большой площадью легирование 1121 ограничителя канала может быть сделано очень тонким благодаря тому факту, что расстояния, на которые переносятся вторичные заряды в этом слое, очень малы. Тонкое окно для ввода излучения обеспечивает хорошую квантовую эффективность для синего света.
На фиг.15 показаны четыре пикселя еще одного варианта полупроводникового детектора излучения, в котором сигнальный заряд может стираться приложением только малого напряжения. Кольцеобразное легирование 1521 ограничителя канала собирает вторичные заряды. Снаружи этого кольцеобразного легирования 1521 положительно заряженный изоляционный материал образует двумерный слой электронного газа на границе раздела между изолятором и полупроводником, который действует как окно для ввода излучения и как ограничитель канала. Площадь 1591 не содержит МВЗ-слоя. Линии 1580, 1581, 1582 и 1583 разреза соответствуют сечениям, показанным на фиг.16А, 16В, 16С и 16D. Пиксельное легирование 1632, формирующее исток/сток, и затвор 1646 принадлежат одному пикселю. Пиксельные легирования 1635, 1636 и 1637, формирующие истоки и стоки, и затворы 1644, 1645 и 1647 принадлежат другому пикселю. Легирование 1634 для стирания сигнального заряда соединяется с МВЗ-слоем через изоляционный слой 1494, который покрыт проводящим слоем 1695. Проводящий слой 1695 может быть смещен так, что двумерный слой газа зарядов образует границу раздела между изоляционным и полупроводниковым материалами. Проводящий слой 1695 и затворы 1643, 1646 и 1647 могут управлять потоком сигнальных зарядов с МВЗ-слоя к легированию 1634. Можно также разделить этот затвор на четыре различные части, принадлежащие каждому пикселю (это относится также и к затвору 1343). При правильном выборе проводящего материала допустимо также использовать только проводящий слой 1695 без изоляционного материала 1494. В этом случае сигнальные заряды могут собираться проводящим слоем 1695.
Следует заметить, что пиксели по фиг.11, 12 и 15 изображены не в масштабе. Площадь ограничителя канала, в которую входят площадь легирований ограничителя канала и площадь возможного двумерного слоя газа зарядов, должна покрывать большую часть общей площади пикселя, чтобы обеспечить хорошую квантовую эффективность для синего света. Отношение площади ограничителя канала, принадлежащей одному пикселю, к полной площади пикселя должно быть не менее 0,3. Предпочтительно, чтобы это отношение превышало 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9, где 0,9 соответствует наиболее предпочтительному отношению, а 0,4 соответствует наименее предпочтительному отношению.
Следует заметить также, что разрыв в МВЗ-слое не является единственным способом улучшить градиент потенциала, переносящий сигнальный заряд в МВЗ-слое. Можно также изменить концентрацию легирования в запирающем слое, в МВЗ-слое или в подложке рядом с МВЗ-слоем. Можно ослабить или усилить легирование МВЗ-слоя, например, подходящим ионным легированием или маскирующими структурами. Локальное усиление легирования запирающего слоя, локальное ослабление легирования МВЗ-слоя или локальное усиление легирования подложки рядом с примесью МВЗ-слоя создают локальные минимумы потенциала для сигнальных зарядов внутри МВЗ-слоя. С другой стороны, локальным ослаблением легирования запирающего слоя, локальным усилением легирования МВЗ-слоя и локальным ослаблением легирования подложки рядом с МВЗ-слоем можно создать локальные максимумы потенциала для сигнальных зарядов в МВЗ-слое. Правильно структурируя усиления и ослабления легирования МВЗ-слоя, можно улучшить градиент потенциала, переносящий сигнальные заряды в МВЗ-слое, таким же образом, что и разрывом легирования в МВЗ-слое. Градиент, переносящий сигнальные заряды, должен быть таким, чтобы везде в МВЗ-слое существовал правильный градиент для переноса сигнальных зарядов в желаемое место, каковым является, например, локальное усиление 1392 легирования МВЗ-слоя. Кроме того, для увеличения градиента потенциала, транспортирующего сигнальный заряд, локальное усиление легирования МВЗ-слоя может структурироваться добавлением к легированию точек с тем, чтобы оно напоминало звезду. Если отношение площади ограничителя канала к полной площади пикселя велико, может потребоваться вместо одного из перечисленных выше методов использование нескольких методов одновременно, чтобы гарантировать достаточно большой градиент потенциала, переносящий сигнальный заряд в МВЗ-слое.
Еще одним важным аспектом является то, что вместо легированной области 1393 с электропроводностью второго типа, соединяющей МВЗ-слой, и стирающего контакта 1334 можно также использовать локальное ослабление в легировании запирающего слоя. Это локальное ослабление в легировании запирающего слоя должно быть расположено в том же месте, что и область 1393 (т.е. ниже стирающего контакта 1334), и должно быть окружено стирающим затвором 1343. Отношение общей концентрации легирования в месте локального ослабления легирования запрещающего слоя с электропроводностью первого типа к общей концентрации легирования запрещающего слоя с электропроводностью первого типа в том же месте без локального ослабления легирования должно быть менее 0,9. Желательно, чтобы отношение было менее 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2 и 0,1, где 0,8 является наименее предпочтительным отношением, а 0,1 является наиболее предпочтительным отношением. Для стирания сигнального заряда на стирающем контакте 1334 в случае его приложения через локальное ослабление легирования запрещающего слоя с электропроводностью первого типа требуется более высокое напряжение, чем через легированную область 1393 с электропроводностью первого типа. Таким образом, легированная область 1393 является более предпочтительной, чем локальное ослабление легирования запрещающего слоя.
Варианты по фиг.17А, 17В и 17С иллюстрируют средства для улучшения разделения сигнальных зарядов и зарядов, генерируемых поверхностью, а также средства для улучшения сбора вторичных зарядов из подложки. На фиг.17D, 17Е, 17F, 17G, 17Н и 17I показаны дополнительные средства для улучшения разделения сигнальных зарядов и зарядов, генерируемых поверхностью. Пиксельные легирования 1731, 1732 и 1733 образуют истоки и стоки, а проводники 1741 и 1742 образуют затворы сдвоенного МОП-транзистора. Легирование 1721 ограничителя канала собирает вторичные заряды.
Сбор вторичных зарядов с подложки может быть улучшен заполненными канавками. Канавка по фиг.17А заполняется полупроводниковым материалом 1726 с электропроводностью первого типа; канавка по фиг.17В заполняется изоляционным материалом 1727, а канавка по фиг.17С заполняется изоляционным материалом 1727 и проводящим материалом 1728. Можно удалить изоляционный материал из полупроводникового детектора излучения по фиг.17С, если правильно выбрать проводящий материал. Полупроводниковый материал 1726 с электропроводностью первого типа также может быть заменен множеством глубоких ионно-имплантированных примесей с электропроводностью первого типа, обладающих различными энергиями. Принцип работы структур 1726, 1727 и 1728, улучшающих сбор вторичных зарядов из подложки, напоминает принцип работы структур 1393, 1494 и 1695, стирающих сигнальные заряды с МВЗ-слоя. В этом случае, однако, вместо сигнальных зарядов собираются вторичные заряды. В полупроводниковых детекторах излучения с тонкой подложкой заполненные канавки 1726, 1727 и 1728 могут пронизывать всю подложку. Сбор вторичных зарядов может далее улучшаться путем окружения заполненных канавок 1726, 1727 и 1728 разрывом 1791 в МВЗ-слое. Заполненные канавки 1726, 1727 и 1728 могут иметь любую форму. Они могут, например, быть цилиндрической формы или они могут окружать целый пиксель. Если канавки достаточно глубоки, нейтральный потенциал подложки по фиг.5 и 6 может быть приведен к потенциалу ограничителя канала, что соответствует ситуации, показанной на фиг.4.
Легирования 1771, 1772 и 1774 с электропроводностью второго типа, легирование 1775 с электропроводностью первого типа и затворы 1773 и 1776 по фиг.17A-17F улучшают разделение сигнальных зарядов и зарядов, генерируемых поверхностью. Легирование 1771 с электропроводностью второго типа по фиг.17А предпочтительно обеднено, что дает канал для генерируемых поверхностью зарядов электропроводности второго типа. Этот канал направляет генерируемые поверхностью заряды электропроводности второго типа к пиксельным легированиям 1731 и 1733. Легирование 1774 с электропроводностью второго типа по фиг.17D окружает легирование 1721 ограничителя канала. Легирование 1774 отделено от пиксельного легирования, но оно могло бы столь же успешно доходить до пиксельного легирования, как легирование 1771 по фиг.17А. Легирование 1774 в этом случае также предпочтительно обеднено. Площадь обедненной поверхности может контролироваться смещением затвора 1773 по фиг.17С. Затвор 1776 по фиг.17F может быть смещен так, что канал для генерируемых поверхностью зарядов электропроводности второго типа формируется ниже затвора, улучшающего разделение сигнальных зарядов и зарядов, генерируемых поверхностью. Легирования 1772 и 1775 меняют профиль потенциала в полупроводниковом детекторе излучения, чтобы улучшить разделение сигнальных зарядов и зарядов, генерируемых поверхностью. Вместо легирования 1771 с электропроводностью второго типа можно также использовать легирование с электропроводностью первого типа, которое предпочтительно частично обеднено.
Чтобы не допустить формирования легированием 1771 с электропроводностью второго типа проводящего пути между пиксельными легированиями 1731, 1732 и 1733, желательно, чтобы легирование 1771 было структурированным. Вариант такого структурирования представлен на фиг.17G, где легированию 1771 соответствует легирование 1777. Линии 1780 и 1781 разреза соответствуют сечениям, представленным на фиг.17Н и 17I. На фиг.17Н отношение минимального расстояния между легированием 1777 и затворами 1741, 1742 и истоковым/стоковым легированием 1732 предпочтительно больше, чем 0,1 от расстояния L между истоковыми/стоковыми легированиями. Желательно, чтобы это отношение было больше, чем 0,2L; 0,3L; 0,4L; 0,5L; 0,6L; 0,7L; 0,8L; 0,9L; L; 1,2L; 1,5L и 2L, где первое является наименее предпочтительным отношением, а последнее - наиболее предпочтительным отношением.
Варианты по фиг.18А, 18В и 18С иллюстрируют средства для улучшения динамического диапазона полупроводникового детектора излучения, т.е. средства увеличения емкости МВЗ для сигнальных зарядов. Пиксельные легирования 1831 и 1833 являются стоковыми/истоковыми легированиями, а проводники 1841 и 1842 - затворами сдвоенных МОП-транзисторов. Емкость МВЗ-слоя для сигнальных зарядов уже увеличена за счет локальных усилений 1392 легирования МВЗ-слоя. На фиг.18А емкость МВЗ относительно сигнальных зарядов еще более увеличивается за счет использования более широкого истокового/стокового легирования 1832 и за счет добавления разрыва 1891 в МВЗ-слое между двумя локальными усилениями 1392 легирования МВЗ-слоя. На фиг.18 В емкость МВЗ по отношению к сигнальным зарядам повышается за счет расщепления истокового/стокового легирования 1832 на две раздельные части 1834 и 1835 и добавления затвора 1843 между ними. На фиг.18С емкость к сигнальным зарядам еще более увеличивается за счет добавления между двумя легированиями 1834 и 1835 легирования 1836 с легированием 1771 второго типа и двух затворов 1844 и 1845.
МОП-транзистор является не единственно возможным транзистором для использования вместе с МВЗ. На фиг.19 МОП-транзисторы заменены биполярными транзисторами. Пиксельные легирования 1931 и 1932 с электропроводностью второго типа являются базовыми легированиями, а легирования 1951 и 1952 с электропроводностью первого типа - эмиттерными легированиями биполярных транзисторов. Легирование 1921 ограничителя канала с электропроводностью первого типа действует в качестве коллектора биполярных транзисторов, собирая заряды первого типа электропроводности, испущенные эмиттерами. В добавление к трем обычным узлам биполярного транзистора здесь имеется четвертый узел, т.е. МВЗ. Сигнальные заряды в МВЗ уменьшают эффективную ширину базы. Тем самым сигнальные заряды в МВЗ увеличивают ток эмиттера. Можно измерить этот эффект и вычислить количество сигнальных зарядов по результату такого измерения. Пиксельное легирование 1931 содержит дополнительный выгиб 1974. Имеется также локальное усиление 1929 легирования запрещающего слоя под легированием 1921 ограничителя канала, увеличивающее компоненту электрического поля в МВЗ-слое, которая переносит сигнальные заряды к усилению 1392 в легировании МВЗ-слоя. Форма этого локального усиления легирования запрещающего слоя может также структурироваться по аналогии с промежутками 1191 и 1591 в легировании МВЗ-слоя.
На фиг.20 МОП-транзисторы заменены полевыми транзисторами с р-n переходом, где легирования затворов заменены МОП-затворами 2041 и 2042. Пиксельные легирования 2031 и 2032 действуют в качестве легирований истока, стока и канала. Пиксельные легирования также имеют прогиб 2075.
Во всех транзисторах, содержащих МВЗ, которые были описаны до сих пор, сигнальные заряды в МВЗ уменьшают эффективную ширину канала или базы. На фиг.21 и 22 показаны транзисторы, содержащие МВЗ, в которых сигнальные заряды в МВЗ увеличивают эффективную ширину канала или базы. На фиг 21 пиксельные легирования 2131 и 2132 действуют как коллекторные легирования, а легирования 2151 и 2152 с электропроводностью первого типа - как базовые легирования. Эмиттеры 2161 и 2162 изготавливаются, например, из поликристаллического полупроводникового материала, такого как поликристаллический кремний. На фиг.22 пиксельное легирование 2206 представляет собой непрерывный слой, в который инкапсулировано легирование 2221 ограничителя канала. Внутри пиксельного легирования 2206 с электропроводностью первого типа имеются также истоковые и стоковые легирования 2251, 2252, 2253 и 2254 двух МОП-транзисторов. Проводники 2241 и 2242 являются затворами этих двух МОП-транзисторов.
На фиг.23 и 24 показаны полупроводниковые детекторы излучения, которые могут использоваться как ячейки памяти или как транзисторы. Легирования 2331 и 2332 с электропроводностью второго типа являются стоком и истоком, а проводник 2341 - затвором МОП-транзистора. Затвор 2342 управляет потоком сигнальных зарядов от легирования 2333 с электропроводностью второго типа через легированную область 1393 с электропроводностью второго типа к МВЗ-слою. На фиг.24 МОП-транзистор заменен биполярным транзистором с базой 2431, обладающей электропроводностью второго типа, и эмиттером 2451, обладающим электропроводностью первого типа. В полупроводниковом детекторе излучения по фиг.24 заполненная канавка 1494, 1695 выполняет ту же самую функцию, что и область 1393 на фиг.23. Если полупроводниковые детекторы излучения по фиг 23 и 24 используются как ячейки памяти, то заполненный сигнальными зарядами МВЗ и освобожденный от сигнальных зарядов МВЗ соответствуют единице и нулю или наоборот. Если полупроводниковые детекторы излучения по фиг.23 и 24 используются в качестве транзисторов, МВЗ-слой может быть очень сильно легирован, т.е. он может быть нейтральным внутри, причем он образует четвертый вывод транзисторов в добавление к истоку, стоку и затвору в полевых транзисторах и в добавление к эмиттеру, базе и коллектору в биполярных транзисторах.
Имеется еще один способ работы МВЗ-детектора и нового МВЗ-детектора, который не был описан ранее. В этом случае потенциалы истока, стока и затвора полевого транзистора таковы, что канал ниже затвора закрыт, т.е. нет пути для тока между истоковым и стоковым легированиями. Если истоковое и стоковое легирования находятся под одним потенциалом, то можно использовать одно пиксельное легирование вместо двух раздельных легирований (см., например, фиг.25). Когда, например, оптический импульс поглотится полупроводниковым детектором излучения, сигнальные заряды потекут в МВЗ. Это создаст импульс тока на затворе, который может быть использован для точного хронометрирования события. Новые МВЗ-детекторы, соответствующие режиму детектирования сигнала на затворе, показаны на фиг.25-31. Линия 2580 разреза на фиг.25 и линия 2680 разреза на фиг.26 соответствуют сечениям, показанным на фиг.27А. Потенциалы необязательного легирования 2721 ограничителя канала, пиксельного легирования 2731 и затвора 2741 таковы, что граница раздела между полупроводником и изолятором под затвором обеднена, чтобы обеспечивать формирование сигналов затвора. Если граница раздела между полупроводником и изолятором заперта при потенциале пиксельной примеси, т.е. если имеется канал под затвором, никакого сигнала не будет или очень слабый сигнал будет создан на затворе, когда несколько сигнальных зарядов прибывает к МВЗ. Сигнальный заряд стирается, например, приложением стирающего смещения между легированием ограничителя канала и пиксельным легированием.
МВЗ-детектор с регистрацией сигнала на затворе по фиг.25 может быть подключен к считывающей микросхеме. В этом случае благодаря пиксельной структуре детектора может быть получена как временная, так и пространственная информация. Другая возможность состоит в соединении затворов одной строки или одного столбца металлическим проводом с целью получения ленточного детектора. Ленточный детектор дает возможность детектировать временную и одномерную (1М) пространственную информацию. Еще одна возможность заключается в том, чтобы разделить затвор на две или три различные части и подсоединить каждую часть к отдельной сигнальной линии, которые разводятся в различных направлениях с целью получения как временной, так и двумерной пространственной информации. МВЗ-детектор с регистрацией сигнала на затворе по фиг.26 является ленточным детектором, а линия 2680 разреза соответствует сечению, показанному на фиг.27А. На фиг.27В затвор 2741 полупроводникового детектора излучения по фиг.26 окружен изоляционным слоем 2707, поверх которого находится металлическое покрытие 2742. Необязательное металлическое покрытие 2742 дополнительно снижает шум детектора.
Ленточные детекторы по фиг.28-31 представляют различные варианты МВЗ-детектора с регистрацией сигнала на затворе. На фиг.28 затвор 2841 подсоединен ко второму слою 2842 металла, который используется для соединения затворов в одном ряду или столбце пикселей. Пиксельное легирование в этом случае разделяется на две части 2831, 2832. Детектор по фиг.29 полностью идентичен детектору по фиг.26, за исключением того, что пиксельное легирование 2731 разделено на несколько частей 2931, 2932. Штриховая линия на фиг.29 соответствует пиксельному легированию, которое находится под затвором. Такое обозначение применяется также на фиг.30 и 31. Детектор по фиг.30 имеет только одно пиксельное легирование 3031, рядом с которым находятся два затвора 3041 и 3042. На фиг.31 имеется только один затвор 3141 и множество пиксельных легирований 3131. Усиления легирования МВЗ-слоя на фиг.28-31 могут быть расположены, например, под затворами.
Известные варианты ленточных детекторов представлены на фиг.35А и 35В. В структуре по фиг.35А сигнальные заряды собираются легированием 3531, что изменяет потенциал данного легирования. Это создает сигнал на затворе 3541, который держится под постоянным потенциалом. Легирование 3531, в добавление к генерируемому в объеме току, собирает, однако, и генерируемый на поверхности ток. Этот ток утечки также дает в затворе ток равной величины. Шум в детекторе сравним с корнем квадратным из тока утечки. В таких ленточных детекторах ток, генерируемый поверхностью, обычно почти в 20 раз больше, чем ток, генерируемый в объеме, и поэтому шум ленточного детектора по фиг.35А высок. В образце полупроводникового детектора излучения по фиг.35В легирования 3532 и 3533 собирают генерируемые поверхностью заряды. Подразумевается, что легирование 3531 собирает только ток, генерируемый в объеме. Однако легирования 3532 и 3533 собирают также часть сигнальных зарядов. Таким образом, отношение сигнал-шум в ленточном детекторе по фиг.35В обычно хуже, чем в ленточном детекторе по фиг.35А. Можно легко сравнить отношения сигнал-шум для ленточного детектора по фиг.35А и для МВЗ-детектора с регистрацией сигнала на затворе. Отношение паразитной емкости к полной емкости для полупроводникового детектора излучения по фиг.35А близко к нулю. В МВЗ-детекторе с детектированием сигнала на затворе отношение паразитной емкости к полной емкости составляет около 0,5, что приводит к уменьшению в 2 раза сигнала по сравнению с прототипом. Однако в МВЗ-детекторе пиксельные легирования собирают генерируемые поверхностью заряды, а МВЗ собирает только генерируемый в объеме ток. Таким образом, шум в известном детекторе по фиг.35А в корень квадратный из 20 раз выше, чем в МВЗ-детекторе. Поэтому отношение сигнал-шум в МВЗ-детекторе должно быть в 2,2 раза выше, чем детекторе прототипа по фиг.35А.
Сигнальный заряд может также переноситься через несколько пикселей к считывающему пикселю, где измеряется величина сигнала. Детектор излучения по фиг.44А является примером такого устройства, с которым обращаются точно так же, как с прибором с зарядовой связью (ПЗС). Когда потенциалы пиксельных легирований 4431, 4432 и 4433 с электропроводностью первого типа циклически изменяются, сигнальный заряд может быть перенесен в МВЗ-слой 104. Пиксельные легирования работают, кроме того, как структуры, противодействующие расплыванию изображения. Сигнальный заряд в МВЗ-слое может быть удален приложением стирающего напряжения между легированиями 4421 ограничителей каналов и пиксельными легированиями. Если полупроводниковый детектор излучения освещается спереди, величина площади ограничителя канала должна быть большой, чтобы получить хорошую квантовую эффективность для синего света. Линии 4480 и 4481 разреза соответствуют сечениям, представленным на фиг.44В и 44С.
На фиг.32B-32D, 33А-33С и 34A-34D иллюстрируются примеры различных методов изготовления нового МВЗ-детектора. Начальной точкой этих процессов является чистая подложка 103 с электропроводностью первого типа, представленная на фиг.32А. Процесс изготовления, представленный на фиг.32B-32D, напоминает процесс изготовления КМОП-структуры. На фиг.32В показано выполнение двух операций маскирования двух ионно-имплантируемых примесей с электропроводностью второго типа и разгонка примеси, чтобы сформировать карман 3204 и примесную область 3292, которые обладают электропроводностью второго типа. Карман 3204 используется для формирования МВЗ-слоя, а необязательная примесная область 3292 используется для формирования усиления легирования МВЗ-слоя. На фиг 32С иллюстрируются одна операция маскирования, одно ионное имплантирование примеси с электропроводностью первого типа и разгонка примеси, чтобы сформировать карман 3205 с электропроводностью первого типа. Карман 3205 действует в качестве запрещающего слоя. На фиг.32D иллюстрируется, по меньшей мере, одна операция маскирования и ионное имплантирование примеси для формирования пиксельного легирования 3231 с электропроводностью второго типа. Легирование 3234 с электропроводностью второго типа является необязательным контактом для стирания сигнальных зарядов. На этом этапе могут быть выполнены также другие операции маскирования и ионной имплантации, формирующие, например, ограничители каналов, контакт подложки и другие ранее упоминавшиеся области легирования. После этого выполняется операция отжига, за которой следует формирование изоляционных и металлических слоев, а также отверстий в изоляционных слоях.
Технологический метод изготовления нового МВЗ-детектора, в котором используется глубокая ионная имплантация, проиллюстрирован на фиг.33А-33С. На фиг.33А одна операция маскирования, одно ионное имплантирование примеси с электропроводностью первого типа и разгонка примеси выполняются для формирования кармана 3305 с электропроводностью первого типа. Карман 3305 выполняет функцию запрещающего слоя. На фиг.33В иллюстрируются две операции маскирования и две высокоэнергетические операции глубокого ионного имплантирования примеси с электропроводностью второго типа для формирования МВЗ-слоя 3304 и необязательного усиления 3392 легирования МВЗ-слоя. Одна операция маскирования и ионное имплантирование примеси с электропроводностью второго типа, представленные на фиг.33С, совершаются для формирования пиксельного легирования 3331. Легирование 3334 с электропроводностью второго типа является необязательным контактом стирания сигнальных зарядов. Расположенная под контактом стирания область 3396 является локальным ослаблением общего легирования запрещающего слоя. На этом этапе могут быть выполнены также другие операции маскирования и ионной имплантации примесей. Далее выполняется операция отжига, за которой следует формирование изоляционных и металлических слоев и отверстий в изоляционных слоях. Карман 3305, образующий запрещающий слой, с равным успехом может быть изготовлен с использованием ионной имплантации примеси при средней энергии.
Процесс изготовления, представленный на фиг.34A-34D, напоминает процесс комбинированной технологии ИС на биполярных и комплементарных МОП-транзисторах. На фиг.34А представлены две операции маскирования и две операции ионного имплантирования примесей с электропроводностью второго типа, а также необязательная операция отжига, выполняемые для формирования МВЗ-слоя 3404 и необязательного усиления 3492 легирования МВЗ-слоя. На фиг.34В иллюстрируется выращивание эпитаксиального слоя 3405 с электропроводностью первого типа поверх полупроводниковой подложки 103. Эпитаксиальный слой 3405 образует запрещающий слой. На фиг.34С показаны одна операция маскирования и ионное имплантирование примеси с электропроводностью первого типа на эпитаксиальном слое 3405 для формирования пиксельного легирования 3431 и необязательного стирающего контакта 3434. На этом этапе могут выполняться и другие операции маскирования и ионного имплантирования примесей, например для формирования ограничителей каналов. На фиг.34D показана необязательная операция маскирования и ионной имплантации примеси с электропроводностью второго типа при средней энергии для формирования легирования 3493 с электропроводностью второго типа между стирающим контактом 3434 и МВЗ-слоем 3404. Следует заметить, что если доза этой ионно-имплантируемой при средней энергии примеси мала, получается только ослабление общего легирования запрещающего слоя под стирающим контактом 3434.
Необходимо подчеркнуть, что указанные выше методы изготовления нового МВЗ-детектора являются лишь примерами. Кроме них, существует множество других методов. Описанные выше различные операции обработки из различных методов могут также объединяться любым подходящим образом и в любом порядке. Легирования контакта подложки и ограничителя канала на фиг.32A-34D не показаны, но, как уже говорилось, они могут быть добавлены в последовательность технологического процесса при подходящей ситуации. Тонкий освещаемый сзади полупроводниковый детектор излучения может быть получен из устройств по фиг.32D, 33С и 34D, например, шлифованием задней стороны подложки 103 или путем изготовления устройств по фиг.32D, 33С и 34D на подложке типа "кремний на диэлектрике" (КНД). КНД-подложка имеет два полупроводниковых слоя и один изоляционный слой между ними. После того как одна полупроводниковая поверхность обработана, другая сторона полупроводниковой подложки может быть вытравлена ниже активной области детектора до достижения изолирующего слоя. Затем изолирующий слой может быть вытравлен, после чего задняя сторона обработанного полупроводникового слоя, т.е. подложки полупроводникового детектора излучения, может быть покрыта, например, просветляющим покрытием.
Первым типом электропроводности может быть n-тип, а вторым типом электропроводности может быть р-тип. Варианты по фиг.11-34D и 44А-44С применимы как к освещаемым спереди, так и к освещаемым сзади полупроводниковым детекторам излучения, кроме того, может быть использована любая их комбинация. Важно отметить, что варианты и процессы, представленные на фиг.11-34D и 44А-44С, могут использоваться также в описанном в международных заявках PCT/FI 2004/000492 и PCT/FI 2005/000359 МВЗ-детекторе, имеющем проводящий слой с задней стороны. Пиксели могут иметь любую конфигурацию или форму вместо тех, которые представлены на фиг.11, 12 и 15. Вместо двухтранзисторных пикселей можно использовать однотранзисторные или многотранзисторные пиксели. Многократное считывание сигнального заряда происходит, однако, в два раза быстрее в двухтранзисторных пикселях, чем в однотранзисторных пикселях. Вместо МОП-транзистора, полевого транзистора с р-n-переходом и биполярного транзистора в пикселях можно использовать любой униполярный или биполярный транзистор. Исток полевого транзистора с р-n-переходом или эмиттер биполярного транзистора может быть плавающим и может быть подсоединен к конденсатору. Пиксели могут быть окружены охранными структурами, предпочтительно в форме кольца, которые формируются из МОП-структур или из примесей для увеличения площади пикселя. Примеси в полупроводниковом детекторе излучения также могут структурироваться любым возможным способом путем использования ионно-имплантируемых примесей с различными масками, различными энергиями, различными дозами и различными типами электропроводности. В некоторых случаях легирования могут заменяться также подходящими металлическими контактами, например омическими контактами или контактами типа Шоттки. Предпочтительным полупроводниковым материалом является кремний, но может быть использован и любой другой полупроводниковый материал. Полупроводниковым материалом может быть, например, германий. Контактные отверстия в изолирующем слое 1307 и контакты с различными легированиями не показаны. Легирования ограничителя канала являются необязательными в полупроводниковых детекторах излучения по фиг.7 и 8, и они могут быть отключенными по постоянному току. Можно использовать просветляющие покрытия, сцинтилляционные покрытия и микролинзы как в освещаемых спереди, так и в освещаемых сзади полупроводниковых детекторах излучения.
Количество сигнального заряда в МВЗ полевого транзистора с встроенным МВЗ может быть получено, например, измерением изменения порогового напряжения, измерением изменения тока, текущего через полевой транзистор с встроенным МВЗ, или измерением изменения падения напряжения на известном резисторе, соответствующего изменению тока, текущего через полевой транзистор с встроенным МВЗ. Количество сигнальных зарядов в МВЗ биполярного транзистора с встроенным МВЗ может быть получено, например, измерением изменения тока эмиттера или измерением на резисторе с известным сопротивлением изменения падения напряжения, соответствующего изменению тока, текущего через эмиттер, или измерением изменения в значении порога базы или эмиттера. Порогом базы здесь называется напряжение на базе, при котором начинает течь ток эмиттера. Порогом эмиттера здесь называется напряжение эмиттера, при котором начинает течь ток эмиттера. Существуют также и другие схемы считывания сигнального заряда, при этом все схемы считывания могут содержать, например, конденсаторы, транзисторы, резисторы и т.п.
Важно отметить, что МВЗ позволяет детектировать очень малые количества сигнальных зарядов. Этого можно достичь, выполняя измерения при наличии сигнального заряда в МВЗ, удаляя сигнальный заряд с МВЗ, выполняя измерение при отсутствии сигнального заряда, вычитанием первого измерения из второго измерения и повторением этого n раз. В результате шум считывания будет равен шуму считывания одного измерения, деленному на корень квадратный из n. Это, однако, не единственный метод измерения малых количеств сигнальных зарядов. Можно также разработать новый МВЗ-детектор (и описанный МВЗ-детектор) таким образом, чтобы при подходящем напряжении сигнальный заряд переносился с МВЗ и обратно на МВЗ с лавинным размножением сигнального заряда. Этот цикл лавинного размножения может быть выполнен n раз, после чего сигнальный заряд умножается на N×m^n, где m есть коэффициент лавинного усиления при переносе одного сигнального заряда. Первый из двух способов обладает более высоким динамическим диапазоном. Однако оба способа также могут быть объединены, т.е. можно сначала применить первый способ, а затем - второй способ. Первый способ, т.е. способ многократного считывания, выполняется при меньших прикладываемых напряжениях смещения, а второй способ, т.е. способ лавинного усиления, - при более высоких прикладываемых напряжениях смещения. Такой комбинированный способ имеет такой же динамический диапазон, как и способ многократного считывания.
На фиг.11, 12 и 15, представляющих группу из четырех пикселей, передняя или задняя поверхность индивидуальных пикселей может быть покрыта цветовым (цветным) фильтром и, возможно, одной или более микролинзами. Самый верхний и самый нижний пиксели могли бы, например, иметь зеленый цветовой фильтр, а левый и правый пиксели могли бы иметь синий и красный цветовые фильтры соответственно. Передняя или задняя поверхность полупроводниковых детекторов излучения по фиг.11, 12 и 15 может также быть покрыта единым цветовым фильтром, возможно с микролинзами. В таком случае свет предпочтительно делится на три различных составляющих, например красную, зеленую и синюю, и в камере предпочтительно используются три различных кристалла. Следует отметить, что полупроводниковый детектор излучения следует проектировать так, чтобы не было нейтральной области в запрещающем слое между каналом полевого транзистора и МВЗ-слоем, а также между базой биполярного транзистора и МВЗ-слоем, поскольку такая нейтральная область увеличивает шум в измерениях. Следует отметить также, что все фиг.1-35В представлены не в масштабе, и что все затворы и металлические слои, показанные на фиг.1-35В, могут быть изготовлены из прозрачных проводников. Предпочтительно также использовать самосовмещенные структуры, чтобы уменьшить рассогласование масок. Вместо прямоугольных полевых транзисторов можно было бы использовать круглые полевые транзисторы. Чертежи представлены не в масштабе, и поэтому площадь примесей ограничителей каналов может оказаться значительно больше, чем показано на чертежах. В полупроводниковом детекторе излучения могут также присутствовать дополнительные слои, если они не влияют на принцип работы МВЗ. Такими дополнительными слоями могут быть, например, тонкие слои полупроводникового материала с электропроводностью первого или второго типа.
На кристалле полупроводникового детектора излучения может также находиться считывающая и селектирующая электроника. Устройство, содержащее полупроводниковый детектор излучения, соответствующий одному из вариантов изобретения, может также содержать и другие полупроводниковые микросхемы, некоторые из которых могут иметь металлизированные соединения с пикселями полупроводникового детектора излучения. Это позволяет создавать очень компактные структуры, например, подобные МКМ (многокристальному модулю), которые обеспечивают детектирование, усиление, считывание и в некоторых случаях даже запоминание в очень малом пространстве.
Результаты двумерного моделирования, представленные на фиг.36-43, показывают осуществимость концепции МВЗ-детектора. На фиг.36 показан МВЗ-детектор с подложкой 103 n-типа, МВЗ-слоем 104 р-типа и запрещающим слоем 105 n-типа. Пиксельные легирования 3631, 3632 и 3633 р-типа действуют как истоковые/стоковые легирования, затворы 3641 и 3642 используются для измерения и транспортировки сигнального заряда, а контакты 3621 ограничителей каналов используются для стирания сигнального заряда. Усиление 3692 легирования МВЗ-слоя собирает сигнальные заряды, которыми в этом случае являются дырки. На фиг.36 показана ситуация сразу после стирания сигнального заряда приложением стирающего напряжения к контакту ограничителя канала. На фиг.37 показана ситуация после того, как некоторое количество созданных в объеме дырок накопилось в локальном усилении легирования МВЗ-слоя. На фиг.38 все дырки из левого локального усиления легирования МВЗ-слоя перенесены в правое локальное усиление легирования МВЗ-слоя приложением соответствующих изменений напряжения к пиксельным легированиям и к затворам. На фиг.39 дырки из правого усиления легирования МВЗ-слоя переносятся в левое усиление легирования МВЗ-слоя приложением соответствующих изменений напряжения к пиксельным легированиям и к затворам. Важно отметить, что все потенциалы на фиг.36-39 одинаковы. Только местоположения дырок различаются. На фиг.40 показана концентрация дырок в обоих локальных усилениях легирования МВЗ-слоя, а на фиг.41 показана объединенная концентрация дырок локальных усилений легирования МВЗ-слоя.
На фиг.42 потенциалы пиксельного легирования 4233 р-типа, стирающего контакта 4234 р-типа, стирающего затвора 4243 n-типа и легирования 4221 n-типа таковы, что дырки собираются в МВЗ-слое ниже пиксельного легирования 4233 р-типа. На фиг.43 показано, что потенциал стирающего затвора изменился и дырки могут свободно перемещаться из МВЗ-слоя к стирающему контакту через легирование 4293 р-типа. Кроме описанных выше эффектов, моделирование показало, что изменение в пороговом напряжении может составлять более 100 мкВ.