ЕМКОСТНАЯ МОП ДИОДНАЯ ЯЧЕЙКА ФОТОПРИЕМНИКА-ДЕТЕКТОРА ИЗЛУЧЕНИЙ
CAPACITIVE MOS DIODE CELL OF PHOTODETECTOR-RADIATION DETECTOR

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц, а также квантово-цифровым детекторам-приемникам изображений.
Известны ячейки (пиксели) для монолитных фотоприемников и детекторов излучений на основе p-i-n-диода (1. D. Patti et al. United States Patent № US6, 465, 857, B1 Date Oct. 15.2002, US 006465857 B1), которая не обеспечивает усиления сигнала в пикселе и, следовательно, быстродействие и чувствительность детектора. Диодно-емкостная КМОП ячейка (2. I. Peric «А novel monolithic pixelated particle detector implemented in high-voltage CMOS technology» Nucl. Inst. Meth. Band A 582, pp. 876-885, August 2007), на основе DEPMOS - МОП транзистора с управлением по подложке имеет низкую крутизну и относительно высокий уровень шумов, из-за управления по подложке, что ограничивает их спектральную чувствительность. Биполярные транзисторные структуры (3. J. Kemmer, G. Lutz: Nucl. Instrum. Methods A 273, 588-598 (1988); 4. Координационный детектор релятивистских частиц, патент РФ №2197036 от 20.01.2003; 5. Интегральная БИ-МОП ячейка детектора излучений, патент РФ №2383968 от 20.03.2006 г. ) имеют пониженное напряжение пробоя из-за плавающего потенциала базы и нелинейность усиления при малом уровне сигнала (плотности тока).
Наиболее близкой по технической сущности является «МОП диодная ячейка монолитного фотоприемника-детектора излучений» (6. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений, патент РФ №2494497 от 21.07.2011 г.), электрическая схема и конструкция которой выбрана в качестве прототипа (фиг. 1, 2 соответственно).
+
+
Данная ячейка не обладает максимальной чувствительностью и надежностью работы из-за отделения (потери) части ионизационного тока, создаваемого ионизирующей частицей в область p-кармана (см. фиг. 2), кроме этого, высокое напряжение, приложенное к p-n-переходу карман, - подложка при наличии интенсивного излучения приводит к лавинному пробою p-n-перехода кармана, в случае использования в электрической схеме пиксели n-МОП и р-МОП транзисторов, расположенных в «двойном» кармане, возникает возможность включения тиристорной р-n-р-n-структуры (фиг. 2), что ведет к потере работоспособности детектора.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и надежности работы монолитного фотоприемника-детектора излучений.
Технический результат достигается следующим образом, емкостная МОП диодная ячейка фотоприемника-детектора излучений содержит общую шину, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, шину напряжения смещения, выходную шину, а также содержит усиливающий МОП транзистор, содержащий сток, исток, подзатворную область, область затвора, при этом его сток подсоединен к выходной шине, она содержит p-i-n-диод, катод (анод) которого подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, а анод (катод) - к первому выводу регистрирующего резистора. Усиливающий МОП транзистор является обогащенным транзистором р (n) типа проводимости, при этом его подзатворная область подсоединена к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, исток - к второй выходной шине, его затвор соединен с первым выводом резистора смещения, второй вывод которого подключен к шине напряжения смещения, затвор МОП транзистора также соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с анодом (катодом) p-i-n-диода и первым выводом регистрирующего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной.
1
DD
2
CM
1
1
Электрическая схема (см. фиг. 3): усиливающий МОП транзистор - Т, который является обогащенным транзистором р (n) типа проводимости, его подзатворная область подсоединена к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +V, сток и исток к первой выходной шине - X и второй выходной шине - Y соответственно, его затвор соединен с первым выводом резистора смещения - R, второй вывод которого соединен с шиной напряжения смещения - V, затвор усиливающего МОП транзистора - Т подключен к первому выводу конденсатора - С, второй вывод которого подсоединен к аноду (катоду) р-i-n-диода - D и первому выводу регистрирующего резистора - R, второй вывод которого подсоединен к общей шине - Ш.
Конструкция (фиг. 4) функционально-интегрированной структуры емкостной МОП диодной ячейки фотоприемника-детектора излучений содержит общую шину, шину смещения, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, выходную шину, расположенные на верхней поверхности слаболегированной полупроводниковую подложки 1-го типа проводимости, на нижней поверхности подложки расположен сильно легированный слой 1-го типа проводимости катода (анода) p-i-n-диода, на котором расположен электрод катода (анода), подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, а на верхней поверхности подложки расположены толстый и тонкий диэлектрики, область 2-го типа проводимости, образующая анод (катод) p-i-n-диода, на которой расположен электрод анода (катода), подсоединенный к первому выводу поликремниевого регистрирующего резистора, расположенного на толстом диэлектрике, на тонком диэлектрике расположен поликремниевый затвор усиливающего МОП транзистора, в подложке также расположены области стока и истока усиливающего МОП транзистора, на которых расположены электроды стока и истока, соединенные с выходными шинами, в которой усиливающий МОП транзистор является обогащенным транзистором с каналом второго типа проводимости р (n) типа, его области стока и истока расположены на поверхности подложки и являются областями второго типа проводимости, при этом его подзатворная область одновременно является слаболегированной i-областью p-i-n-диода первого типа проводимости, на поверхности толстого диэлектрика расположен поликремниевый резистор смещения, первый вывод которого соединен с затвором усиливающего МОП транзистора, а второй - с шиной напряжения смещения; затвор МОП транзистора соединен с поликремниевым электродом МОП конденсатора, второй электрод которого одновременно является областью второго типа проводимости p-i-n-диода, которая через поликремниевый регистрирующий резистор подсоединена к общей шине.
Однако данная ячейка не обладает минимальными размерами, необходимыми для получения максимальной точности координатного детектирования из-за наличия в ней поликремниевых резисторов, обладающих значительными размерами.
Изобретение поясняется приведенными чертежами.
1
1
Электрическая схема для прототипа выбрана электрическая схема «МОП диодной ячейки монолитного детектора излучений» (фиг. 1), содержащая усиливающий МОП транзистор - Т, p-i-n-диод - D, регистрирующий резистор - R.
На фиг. 2 представлен разрез структуры ячейки прототипа.
DD
cc
Функционально-интегрированная структура интегральной схемы n-МОП ячейки детектора содержит полупроводниковую подложку 1-го типа проводимости - 1, на нижней поверхности подложки расположен сильно легированный слой 1-го типа проводимости - 2, на котором расположен электрод подложки - 3, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +V, а на верхней поверхности подложки слой тонкого диэлектрика - 7, на котором расположен электрод - затвора МОП транзистора - 8, в подложке также расположена область 2-го типа проводимости - 4, являющаяся подзатворной областью МОП транзистора, в которой расположена область 1-го типа проводимости - 5, являющаяся областью стока МОП транзистора, на поверхности области стока расположен электрод - 6, соединенный с выходной шиной X и область 1-го типа проводимости - 9, являющаяся областью истока МОП транзистора, причем на ее поверхности и поверхности области 2-го типа проводимости - 4 расположен электрод - 10, соединенный с общей шиной. На поверхности подложки - 1 расположен толстый диэлектрик - 11, на его поверхности расположен поликремниевый резистор - 12, на поверхности которого расположено два его электрода, при этом первый - 13 соединен с электродом затвора - 8, второй - 14 соединен с источником отрицательного (положительного) напряжения питания - V, в подложке - 1 расположена вторая область 2-го типа проводимости, образующая анод (катод) p-i-n-диода - 15, на ее поверхности расположен электрод - 16, соединенный с электродом затвора - 8 и первым электродом - 13 резистора.
На фиг. 3 приведен вариант электрической схемы изобретения.
1
DD
2
CM
1
1
Электрическая схема фиг. 3 содержит: - первый усиливающий МОП транзистор - Т, который является обогащенным транзистором р (n) типа проводимости, его подзатворная область подсоединена к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +V, сток и исток к первой выходной шине - X и второй выходной шине - Y соответственно, его затвор соединен с первым выводом дополнительного резистора смещения - R, второй вывод которого соединен с шиной напряжения смещения - V, затвор усиливающего МОП транзистора - Т подключен к первому выводу конденсатора - С, второй вывод которого подсоединен к аноду (катоду) p-i-n-диода - D и первому выводу регистрирующего резистора - R, второй вывод которого подсоединен к шине.
На фиг. 4 представлен разрез структуры ячейки изобретения.
DD
1
1
1
2
1
CM
Функционально-интегрированная структура емкостной МОП диодной ячейки фотоприемника-детектора излучений содержит полупроводниковую подложку 1-го типа проводимости - 1, на нижней поверхности подложки расположен сильно легированный слой 1-го типа проводимости - 2, на котором расположен электрод подложки - 3, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +V, а на верхней поверхности подложки, являющейся подзатворной областью усиливающего р (n) - МОП транзистора - Т, на которой расположен слой тонкого диэлектрика - 4, на котором расположен электрод затвора - 5, в которой расположены области 2-го типа проводимости - стока - 6 и истока - 7 усиливающего МОП транзистора, на поверхности которых расположены электроды - 8, 9 выходных шин - X, Y соответственно, на поверхности подложки - 1 расположен толстый диэлектрик - 10 и осаждаемый диэлектрик - 11. На поверхности толстого диэлектрика - 10 расположен поликремниевый регистрирующий резистор - 12 (R), на поверхности которого расположено два его электрода - 13, 14, при этом первый электрод - 13 соединен с электродом - 16 анодом (катодом), расположенным на области второго типа проводимости - 15 p-i-n-диода - D, второй электрод - 14 регистрирующего резистора - 12 соединен с общей шиной питания - Ш, электрод затвора - 5 усиливающего МОП транзистора - T соединен с первым электродом - 17 поликремниевого резистора смещения - 18 (R) и электродом затвора - 5 усиливающего транзистора - Т, второй электрод 19 усиливающего транзистора соединен с шиной напряжения смещения - V, электрод затвора - 5 соединен с электродом первой обкладки - 20 конденсатора - С, образованного поликремниевым слоем - 21, тонким оксидом - 4 и областью второго типа проводимости - 15.
Следует отметить, что в ячейке используется функционально-интегрированная структура p-i-n-диода, в которой расположена емкость (конденсатор), разделяющая высокое напряжение, приложенное к p-i-n-диоду и низкое напряжение питания низковольтной для КМОП электронных схем.
МОП диодная ячейка фотоприемника-детектора излучений работает следующим образом (схема на фиг. 3, конструкция на фиг 4).
+
DD
1
2
CM
1
При прохождении через подложку - 1 ионизирующей частицы (фиг. 2), например, релятивистского электрона, вдоль ее трека образуются электронно-дырочные пары в области пространственного заряда (ОПЗ) р-i-n-перехода, образованного подложкой - 1 n-типа и анодом - 4 диода р-типа проводимости и частично в квазинейтральной области. Образованные ионизирующей частицей в квазинейтральной области (КНО) электронно-дырочные пары разделяются полем положительного напряжения +V и образуют ионизационный ток p-i-n-диода - D, который, протекая через регистрирующий резистор - R к общей шине - Ш, создает на нем импульс напряжения сигнала положительного знака, который проходит через конденсатор - С, подзакрывая усиливающий р-МОП транзистор. Протекающий через усиливающий р-МОП транзистор ток создает в выходных координатных шинах X, Y сигнал о времени ее прихода, энергии (спектре) и координате. При этом резистор смещения - R, подключенный к шине напряжения смещения V, задает рабочий (линейный) режим работы усиливающего транзистора - Т.
Пример конкретной реализации.
Двумерная матрица пиксель-ячеек фотоприемника-детектора излучений может быть выполнена по близкой к стандартной n-МОП (или КМОП) технологи, используемой при изготовлении интегральных схем, например по следующему технологическому маршруту:
+
v
а) формирование n-контактной области - 2 в пластине кремния - 1 сопротивлением ρ~5 кОм/см с ориентацией 100, например диффузией фосфора в обратную сторону пластины;
б) окисление поверхности кремния и формирование в толстом оксиде - 11 окон для р-областей - 4, 15 (р-карман) с помощью процесса 1-й фотолитографии и формирование области путем имплантации атомов бора и последующем режиме отжига и разгонки примеси в глубину подложки;
в) окисление поверхности кремния и формирование в толстом оксиде - 11 окон для - области 22 (n-кармана) с помощью процесса 2-й фотолитографии и формирование области путем имплантации атомов фосфора и последующем режиме отжига и разгонки примеси в глубину подложки;
г) окисление поверхности кремния, формирование тонкого подзатворного оксида - 7 и осаждение поликристаллического слоя кремния на поверхность пластины и проведение операции 3-й фотолитографии - обтрава поликремния - 12;
д) проведение 4-й фотолитографии и последующей имплантации в поликремний мышьяка, т.е. формирование области затвора - 8 и областей стока, истока n-типа МОП транзистора с последующим термическим отжигом;
е) проведение 5-й фотолитографии и последующей имплантации в поликремний бора, т.е. формирование области затвора - и областей стока, истока p-типа МОП транзистора с последующим термическим отжигом;
ж) формирование резистора путем имплантации фосфора в поликремний и последующим отжигом;
з) осаждение низкотемпературного диэлектрика и формирование в нем 6-й фотолитографией контактных окон;
и) осаждение алюминия и проведение 7-й фотолитографии разводки (обтрава) алюминия.
пр
т
т
Изготовленные по данной технологии p-i-n-диоды имели пробивное напряжение V свыше 300 В, р-МОП транзисторы имели пороговое напряжение V=-1,0 В, а n-МОП транзисторы пороговое напряжение V=+1,0 В.