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 G01J 3/50 «Color separation in an active pixel cell imaging array using a triple-well structure»), содержащий слоистую кремниевую ячейку, изготовленную на стандартных комплементарных металлооксидных полупроводниках, с тремя слоями: слой R, слой G и слой В. Три разделенных p-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 толщиной 2,0 мкм, слой G толщиной 0,6 мкм, слой В толщиной 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 цветов, фотодиоды, созданные чередованием зон проводимости первого и второго типа, размещены один под другим на определенных глубинах.
Недостатками данного технического решения являются небольшой динамический диапазон, поскольку наложение трех слоев ограничивает размеры потенциальных ям, а также низкая чувствительность матричного фотоприемника, так как при распределении фотонов по трем слоям часть их неизбежно поглощается при переходе из одного слоя в другой.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является матричный фотоприемник (Жбанова В.Л., Мартыненко Г.В. Функции передачи модуляции интерполяции цвета модифицированных матричных фотоприемников // Известия ТулГУ. Технические науки. ISSN 2071-6168. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 299 с. С. 105-110), содержащий подложку p-типа, на которой расположены чередующиеся в шахматном порядке первый и второй виды ячеек. При этом первый вид ячейки выполнен как фотодиод, созданный чередованием зон проводимости первого и второго типа в виде слоя полупроводника R n-типа, расположенного от поверхности подложки на расстоянии 2,0 мкм и потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра, и расположенный над ним слой полупроводника В p-типа, находящийся с ним в непосредственном контакте и расположенный от поверхности подложки на расстоянии 0,2 мкм и потенциальной ямой для заряда синих оттенков спектра. Второй вид ячейки выполнен как фотодиод в виде слоя полупроводника G n-типа, расположенного в подложке p-типа на расстоянии 0,6 мкм от ее поверхности и находящегося с ней в непосредственном контакте и потенциальной ямой для заряда зеленых оттенков спектра. Каждый слой образует новую потенциальную яму (для электронов или для «дырок»).
Недостатком настоящего технического решения является низкая функция передачи модуляции при интерполяции всех цветов на 50%, и как результат - низкая пространственно-частотная характеристика матричного фотоприемника.
Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в улучшении функций передачи модуляции матричного фотоприемника при интерполяции цвета в области красных оттенков до 100%.
Технический результат заключается в улучшении пространственно-частотной характеристики матричного фотоприемника по красному цвету.
Это достигается тем, что в известном матричном фотоприемнике, содержащем подложку p-типа, на которой расположена группа ячеек, выполненная в виде первой и второй ячеек, чередующихся между собой в шахматном порядке, на поверхности первой ячейки расположен первый электрод, на поверхности второй ячейки расположен второй электрод, при этом первая ячейка содержит две зоны проводимости, а именно слой В p-типа с потенциальной ямой для заряда синих оттенков спектра, находящийся в непосредственном контакте со слоем R n-типа с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой, при этом слой В p-типа расположен на расстоянии от 0,15 до 0,3 мкм от поверхности подложки, слой R n-типа расположен на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки, вторая ячейка выполнена в виде двух зон проводимости и содержит слой G p-типа с потенциальной ямой для заряда зеленых оттенков спектра, находящийся в непосредственном контакте со слоем R n-типа с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра, который, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с подложкой, при этом слой G p-типа расположен на расстоянии от 0,55 до 0,7 мкм от поверхности подложки, слой R n-типа расположен на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены ячейки предлагаемого матричного фотоприемника (вид в разрезе), на фиг. 2 представлен предлагаемый матричный фотоприемник (вид сверху), на фиг. 3 показаны кривые функции передачи модуляции при интерполяции цвета предлагаемого матричного фотоприемника, на фиг. 4 показаны кривые функции передачи модуляции при интерполяции цвета матричного фотоприемника по прототипу.
Матричный фотоприемник содержит подложку p-типа 1, на которой расположена группа ячеек, выполненная в виде первой 2 и второй 3 ячеек, чередующихся между собой 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 две зоны проводимости, а именно слой В p-типа 6 с потенциальной ямой для заряда синих оттенков спектра 7, находящийся в непосредственном контакте со слоем R n-типа 8 с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра 9, который в свою очередь находится в непосредственном контакте с подложкой p-типа 1. При этом слой В p-типа 6 расположен на расстоянии от 0,15 до 0,3 мкм от поверхности подложки p-типа 1, слой R n-типа 8 расположен на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки p-типа 1. Вторая ячейка 3 содержит две зоны проводимости, а именно слой G p-типа 10 с потенциальной ямой для заряда зеленых оттенков спектра 11, находящийся в непосредственном контакте со слоем R n-типа 12 с потенциальной ямой для заряда красных оттенков спектра 13, который в свою очередь находится в непосредственном контакте с подложкой p-типа 1. При этом слой G p-типа 10 расположен на расстоянии от 0,55 до 0,7 мкм от поверхности подложки p-типа 1, слой R n-типа 12 расположен на расстоянии от 1,7 до 2,5 мкм от поверхности подложки p-типа 1.
К каждому слою (и к подложке 1) подведен отдельный металлический контакт по стандартной технологии, с помощью которого можно выводить соответствующий фотосигнал. При этом первая 2 и вторая 3 ячейки маскированы оксидом кремния по стандартной технологии. Обе ячейки выполнены на основе слоистого кремния. Первый 4 и второй 5 электроды выполнены из поликристаллического кремния прозрачного для фотонов толщиной 0,2 мкм.
Размер площади первой 2 и второй 3 ячеек выбран от 6 мкм до 20 мкм в зависимости от требуемого динамического диапазона и разрешающей способности матричного фотоприемника. Толщины полупроводниковых областей (зон проводимости) выбраны из соображений выделения трех отдельных спектральных диапазонов длин волн оптического излучения и исходя из стандартной характеристики поглощения света в кремнии в зависимости от глубины и длины волны.
Устройство работает следующим образом.
Свет падает на матричный 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 красного спектра преобразуются в заряд в слое R 8, затем накапливаются в потенциальной яме для заряда красных оттенков спектра 9. 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 10 и накапливаются в потенциальной яме для заряда зеленых оттенков спектра 11, фотоны красного спектра преобразуются в заряд в слое R 12, затем накапливаются в потенциальной яме для заряда красных оттенков спектра 13. Далее в матричном фотоприемнике происходит считывание заряда как в стандартной полнокадровой матрице.
Благодаря размещению слоя R 12 во второй ячейке 3 со слоем G 10 при интерполяции красного цвета R функция передачи модуляции матричного фотоприемника повышается на 50% (в два раза), т.е. улучшается оптическая передаточная характеристика всего матричного фотоприемника.
Экспериментально установлено, что в предлагаемом матричном фотоприемнике при интерполяция красного цвета R функция передачи модуляции матричного фотоприемника равна единице и постоянна (фиг. 3), в отличие от функции передачи модуляции матричного фотоприемника при интерполяции цветов по прототипу, где происходит ухудшение характеристик всех цветов в два раза (фиг. 4). Таким образом, благодаря совмещению слоев R и G во второй ячейке 3 в матричном фотоприемнике до 100% улучшается захват красных оттенков и улучшается оптическая передаточная характеристика матричного фотоприемника,
Использование полезной модели позволяет улучшить пространственно-частотную характеристику матричного фотоприемника по красному цвету, что позволит применять предлагаемый матричный фотоприемник в медицинских эндоскопах для адекватной передачи изображения тканей внутренних органов, а также для наблюдения работ в печах металлургии и другой промышленности, в частности в химико-биологических процессах для объектов контроля окатышей.