МАТРИЧНЫЙ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

Полезная модель относится к области производства матричных фоточувствительных приборов (МФП) и может быть использована при изготовлении указанных приборов.
Известны, например, МФП на основе ПЗС, выполненные в полупроводниковом кристалле и содержащие по крайней мере фотодиоды в качестве фоточувствительных элементов, затвор переноса и считывающий регистр, в котором ячейки переноса расположены напротив каждого фоточувствительного элемента (см., например, «Электронная промышленность», Наука, технологии, изделия. №2, 2003, стр. 155-168). Приборы имеют матричную организацию (стр. 161 рис 3-б), в том числе линейную (стр. 160 рис. 2). Под действием освещения заряды накапливаются в фотодиодах, и, когда затвор переноса открыт, все заряды параллельно переносятся в считывающий регистр. После запирания затвора накопленные заряды переносятся с помощью регистра переноса, который защищен от падающего света. В матричном фоточувствительном приборе с зарядовой связью (ФПЗС) с межстрочным переносом система вертикальных линейных ФПЗС дополнена горизонтальным регистром.
В качестве прототипа предлагаемой конструкции выбрана конструкция ФПЗС, в которой используются так называемые НАТ-диоды (см., например, M.T. Gale and an. Active alignment of replicated mikrolens arrays on a CCD imager, Opt. Eng. 36 (5), 1510-1517, 1997). HAT-диод - это диод, у которого емкость n-p-перехода увеличена за счет приповерхностной перекомпенсации легирующей примеси, образующей n-p-переход, примесью противоположного типа проводимости (т.е. аналогичной типу примеси подложки).
Недостатком конструкции ФПЗС с фоточувствительными элементами в виде HAT-диодов является ограниченность возможности увеличения емкости фотодиодов площадью самого диода. Этот недостаток становится все более существенным с уменьшением размеров ячеек ФПЗС.
Технический результат, получаемый при реализации предложенной конструкции МФП, состоит в том, что, благодаря увеличению площади фотодиода при неизменной площади ячейки МФП, увеличивается емкость фотодиода и, следовательно, динамический диапазон МФП. Одновременно улучшается и чувствительность МФП благодаря повторному поглощению светового луча после его отражения от боковой поверхности углубления.
Технический результат достигается благодаря тому, что в матричном фоточувствительном приборе, содержащем, по крайней мере, полупроводниковый кристалл с системой фоточувствительных элементов в виде фотодиодов и элементы переноса заряда, фоточувствительные элементы выполнены в виде углублений в полупроводниковом кристалле, поперечные сечения которых, параллельные поверхности кристалла, уменьшаются по мере удаления вглубь кристалла.
Новизна предложенной конструкции матричного фоточувствительного прибора заключается в том, что фотодиоды выполнены в виде углублений в полупроводниковом кристалле, поперечные сечения которых, параллельные поверхности кристалла, уменьшаются по мере удаления вглубь кристалла. В частности, эти углубления могут быть выполнены в виде пирамид.
В дальнейшем полезная модель будет рассмотрена с использованием примера реализации предложенной конструкции при изготовлении матричного ФПЗС.
На фиг. 1 представлена конструкция элемента ФПЗС со строчно-кадровым переносом с объемным n-каналом. Здесь I - область вертикального регистра, II - область затвора переноса, III - область фотодиода, 1 - подложка кремния p-типа проводимости, 2 - фотодиод, 3 - вертикальный сдвиговый регистр, 4 - разрешающий затвор, 5 - нитрид кремния, 6 - оксид кремния, 7 - просветление фотодиода, 8 - стоп-каналы.
2
2
В качестве исходной подложки использован кремний p-типа проводимости ориентации <100>. В местах формирования фотодиодов подложки с помощью ориентационного травления в щелочном растворе вытравлены пирамидальные углубления. Угол наклона боковой грани пирамид составляет ~54°. Размер фотодиодной площадки составлял 10×10 мкм при размере ячейки 17×17 мкм. Число элементов матрицы для стандартного телевизионного формата составляло 752×576. Вертикальный сдвиговый регистр 3 проходит перпендикулярно плоскости чертежа и имеет четырехфазную структуру. Подзатворная система регистра - двухслойная, состоящая из оксида и нитрида кремния. Фотодиоды сформированы с использованием ионной имплантации фосфора с последующим отжигом радиационных дефектов. Фотодиоды находятся под плавающим потенциалом. Для улучшения фоточувствительности применено просветляющее покрытие 6 из оксида кремния. Для повышения емкости фотодиода, как и в конструкции прототипа, использован НАТ-диод. Измерение емкости фотодиодов с пирамидальной конструкцией на тестовых элементах показало удвоение ее величины по сравнению с аналогичной обычно используемой плоской конструкцией. Одновременно на ~25% улучшилась пороговая чувствительность матрицы за счет уменьшения отражения, так как свет, отраженный от одной из боковых граней пирамиды, попадает на другую грань.
В случае произвольной ориентации исходного кристалла углубления для фотодиодов могут быть выполнены с помощью обычного, не ориентационного, травления. В этом случае углубление будет иметь форму ямки, поперечные сечения которой параллельные поверхности кристалла уменьшаются по мере удаления вглубь кристалла.