ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ С МОДИФИЦИРОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ ВНУТРЕННЕГО ЗАТВОРА
SEMICONDUCTOR RADIATION DETECTOR WITH MODIFIED INTERNAL GATE STRUCTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в целом, относится к технологии изготовления полупроводниковых детекторов излучения. Более конкретно, изобретение относится к способу взаимной организации областей полупроводника с различным легированием в детекторе и осуществления управления их электрическими потенциалами с целью максимального улучшения характеристик полупроводникового детектора излучения.
Уровень техники
Принцип действия полупроводниковых детекторов излучения основан на обратно смещенном pn-переходе, который создает в объеме полупроводника так называемую обедненную зону, в которой присутствует электрическое поле. Падающий фотон (или частица, например альфа- или бета-частица или протон) создает фотоэлектрический эффект, образуя в локальной области пары электрон/дырка. Электрическое поле обедненной области разделяет носители заряда, из которых один тип используется в качестве сигнального заряда. Измеренная величина сигнального заряда используется для определения интенсивности излучения.
Известным полупроводниковым детектором излучения является ПЗС (прибор с зарядовой связью), который может быть также назван прибором с переносом заряда (ППЗ), что означает, что перед измерением заряда производится его перенос на возможно большое расстояние. Первые ПЗС относились к типу устройств с поверхностным каналом переноса заряда, то есть транспортировка заряда производилась в граничном слое «кремний-двуокись кремния». Однако граничный слой содержит множество поверхностных дефектов, которые захватывают заряд, предназначенный для транспортирования, снижая, таким образом, эффективность переноса заряда. Значительным шагом, который привел к улучшению показателей ПЗС, явился переход к ПЗС со скрытым каналом, в которых перенос сигнального заряда происходил в канале, лежащем ниже поверхности.
В приборах с фронтальным освещением, в которых падающее излучение проходит через затворы переноса заряда (обычно изготавливаемые из поликристаллического кремния), указанные затворы и изолирующие материалы поглощают часть излучения. Особенно интенсивное поглощение имеет место в синей световой области, области ультрафиолетового (UV) излучения и в области мягкого рентгеновского излучения, а также для частиц низкой энергии, то есть имеет место снижение чувствительности детектора излучения в синей области. Очевидным путем улучшения чувствительности в синей области является использование приборов с тыльным освещением, в которых все цепи, работающие с зарядами, т.е. нечувствительные к свету слои материала большой толщины, находятся на передней стороне прибора.
Для того чтобы получить хорошую чувствительность в синей области традиционных ПЗС с тыльным освещением, требуется вытравливать нейтральную подложку с задней стороны, что делает такие приборы очень тонкими - обычно около 50 мкм или тоньше. Уменьшение толщины представляет собой трудный процесс, при котором вероятен низкий выход годных приборов при их производстве. Тонкая подложка также является причиной других проблем. Фотоны красного и ближнего ИК-излучений могут легко проникать в кремний на глубину, большую, чем толщина подложки, что приводит к плохой чувствительности в красной области и образованию интерференционных полос, т.е. волнообразной картины на изображении. Введение тонкого смещенного тыльного слоя, описанного, например, в патентах США 6025585 и 6259085, в сочетании с высокоомной подложкой позволяет в ПЗС с тыльным освещением использовать толстые, полностью обедненные подложки, что приводит к хорошей чувствительности в синей и красной областях.
Растекание заряда (блюминг) представляет собой мешающий эффект, который имеет место, когда яркая точка в изображении дает достаточно большой сигнальный заряд, чтобы заполнить карман накопления заряда соответствующего пикселя, и начинает заполнять карманы соседних пикселей. Данное явление можно предотвратить использованием антиблюминговых структур. Однако в представленном в патенте США 6259085 ПЗС с полностью обедненной подложкой и тыльным освещением такие антиблюминговые структуры отсутствуют. Другой проблемой является смазывание изображения, наблюдаемое в фазе переноса заряда, когда яркая точка добавляет заряд во все зарядовые пакеты, которые через эту точку транспортируются.
Еще одна проблема решения согласно патенту США 6259085, и вообще проблема ПЗС, заключается в том, что приходится транспортировать и считывать заряды всего кадра изображения, даже если интерес представляет лишь часть изображения, что лишает работу ПЗС гибкости и делает ее медленной. Указанные проблемы отсутствуют в активно-пиксельных датчиках (АПД), в которых считывание пикселей можно производить случайным образом и в которых отсутствует транспортирование заряда, что делает их быстродействующими, гибкими и невосприимчивыми к размазыванию изображения. Дефектные пиксели в АПД, в отличие от ПЗС, не влияют на другие пиксели, что увеличивает выход годных изделий при их производстве и снижает производственные затраты. Однако качество изображения может оказаться неудовлетворительным, если каждый пиксель не будет подключен к высококачественному усилителю. Наилучшим способом построения усилителя является использование накопленного заряда в качестве внутреннего затвора униполярного транзистора, например полевого транзистора с pn-переходом (JFET) или полевого транзистора со структурой «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET). Из указанных транзисторов JFET является предпочтительным. Структурно внутренний затвор состоит из потенциальной ямы с минимумом энергии для приема сигнальных зарядов, которая расположена под каналом полевого транзистора. Сигнальные заряды, собравшиеся в яме с минимумом потенциальной энергии, расширяют канал, уменьшая, таким образом, его сопротивление. Благоприятные свойства усилителя на полевом транзисторе с внутренним затвором объясняются малой величиной отношения паразитной емкости к суммарной емкости, которые сами по себе являются малыми величинами, а также возможностью считывания заряда без его разрушения, что позволяет производить многократное считывание сигнального заряда.
Хороший пример структуры с внутренним затвором представлен в патенте США 5712498, в котором внутренний затвор именуется просто «затвором», а фактический затвор назван «нижним затвором». В указанном патенте структура JFET представлена в виде скрытого канала, формирующего внутренний затвор. Области истока и стока JFET дополнительно изолированы при помощи оксида от полупроводниковой пластины. Такая структура усилителя предпочтительна для применения в приборах АПД, но равным образом может быть использована и в структуре ПЗС. Прибор имеет тыльное освещение и должен быть подвергнут утонению, чтобы получить хорошую чувствительность в синей области. Красная чувствительность неудовлетворительна из-за малой толщины прибора. Другой известный патент США 5786609 представляет детектор излучения типа АПД с тыльным освещением, содержащий JFET, оснащенный структурой внутреннего канала и толстой, полностью обедненной подложкой. Данный прибор обладает хорошей чувствительностью как в красной, так и в синей области. К тому же он имеет коэффициент заполнения 100%.
В конечном счете, предельные показатели полупроводниковых детекторов излучения определяются током утечки или темновым током, который смешивается с сигнальным зарядом, искажая результат измерения сигнала. Ток утечки может быть разделен на три составляющие. Причиной одной из составляющих являются обедненные области прибора. Поскольку работа полупроводниковых детекторов основана на обедненной области, эту составляющую тока устранить невозможно. Уменьшение размера обедненной области снижает данную составляющую тока, но, с другой стороны, ухудшает чувствительность к глубоко проникающему излучению. Единственно разумный путь уменьшения данной составляющей тока - это уменьшение количества дефектов в полупроводниковом материале, т.е. следует использовать высококачественные подложки и тщательно выбирать технологические процессы.
Вторая составляющая тока утечки - это ток диффузии, возникающий на границах обедненной области. Однако данная составляющая имеет значение только на границах обедненных областей, в материале с высоким омическим сопротивлением. В полностью обедненных детекторах, изготовленных из высокоомного материала, указанная составляющая тока имеет место только вне активной области, т.е. за пределами области, где расположены пиксели. Данную составляющую тока можно легко устранить, например, окружая активную область охранным кольцом, на которое подано напряжение смещения.
Третий, и обычно наиболее значимый источник тока утечки - это ток пограничного слоя, также известный как ток поверхностной генерации. Данная составляющая тока возникает в обедненных областях полупроводника, прилегающих к его поверхности или являющихся граничными с другими материалами. Далее в тексте данный ток будет именоваться поверхностным током.
Причина того, что поверхностный ток дает столь большой вклад в общий ток утечки, заключается в высокой плотности дефектов на поверхностях и в приграничных слоях. Кремний широко используют в качестве материала для детекторов, поскольку из него легко получаются подложки высокого качества, а граница раздела «кремний-двуокись кремния» дает сравнительно небольшое количество дефектов. Но даже в структурах детекторов на основе кремния поверхностный ток обычно является основным источником тока утечки. Например, в патенте США 6259085 поверхностный ток является основным источником утечки, несмотря на то, что рассматриваемое устройство в фазе накопления заряда работает в режиме массово-параллельной обработки (МПО) сигналов. Режим МПО используется для устранения поверхностного тока во время накопления заряда, но его нельзя использовать в процессе транспортирования заряда. Структура, рассматриваемая в патенте США 6259085, хорошо иллюстрирует природу проблемы тока утечки; структура содержит толстую, полностью обедненную кремниевую подложку, на этапе накопления заряда используется режим МПО, а поверхностный ток все равно является главным источником утечки.
Хорошо известным способом снижения тока утечки является эффективное охлаждение. Однако это требует применения либо сложных жидкостно-газовых охлаждающих устройств, либо элементов Пельтье с высоким энергопотреблением, при этом ни один из указанных способов не пригоден, в частности, для применения в портативных устройствах, у которых габариты и энергопотребление должны быть минимальными.
Природа слабых сторон структуры, описанной в патенте США 5712498, состоит в том, что отсутствует антиблюминговая структура и заряды поверхностной генерации не отделены от сигнальных зарядов. Однако структура более поздних версий такого обедненного p-канального полевого транзистора с pn-переходом (DEPFET) предполагает, что заряды поверхностной генерации могут быть собраны контактом очистки (в патенте имеет обозначение L). Даже несмотря на это структуре с внутренним затвором присущи серьезные ограничения. Прежде всего, требуется исключительно высокая однородность легирования внутреннего затвора (в патенте имеет обозначение 1). Во-вторых, использование полевого МОП транзистора (MOSFET) совместно со структурой внутреннего затвора является проблематичным, поскольку канал MOSFET должен быть все время открытым, чтобы не дать поверхностным зарядам смешиваться с сигнальными зарядами, находящимися в структуре внутреннего затвора. В-третьих, использование биполярного транзистора совместно со структурой внутреннего затвора является невозможным.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание структуры полупроводникового детектора излучения, в которой были бы исключены вышеупомянутые проблемы, свойственные существующим техническим решениям. Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы создать полупроводниковый детектор излучения, который бы при осуществлении измерений отличался большей точностью и был менее подвержен влиянию токов утечки. Другая задача изобретения заключается в том, чтобы предложить усовершенствованную структуру полупроводникового детектора излучения для измерения сигнальных зарядов неразрушающим способом. И еще одной задачей настоящего изобретения является создание вертикальной антиблюминговой структуры, позволяющей реализовать коэффициент заполнения 100%.
Решение указанных задач достигнуто благодаря структуре модифицированного внутреннего затвора (МВЗ), которая дает возможность изолировать носители поверхностных токов от сигнального заряда.
Соответствующий изобретению полупроводниковый детектор излучения отличается признаками, содержащимися в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, характеризующего указанный детектор.
Соответствующий изобретению способ регистрации излучения отличается признаками, содержащимися в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, характеризующего указанный способ.
Важным принципом настоящего изобретения является изоляция сигнального заряда от обедненных граничных слоев, что помогает достичь значительного уменьшения тока утечки. В структурах существующих детекторов, за исключением, пожалуй, новейших детекторов с обедненным p-канальным полевым транзистором с pn-переходом (DEPFET), сигнальный заряд не отделяется от областей обедненных граничных слоев, что означает, что заряды, сформировавшиеся в некоторых областях обедненных граничных слоев, будут добавляться к сигнальному заряду. Если бы сигнальный заряд удалось полностью изолировать от обедненных граничных слоев и считывать его неразрушающим образом, то в детекторах излучения можно было бы с большей легкостью использовать другие материалы, нежели кремний, и благодаря уменьшенным токам утечки увеличить точность измерений.
В настоящем изобретении такая изоляция достигается посредством многослойной структуры, в которой надлежащим образом чередуются слои или области полупроводникового материала с различным типом проводимости.
Имеется ряд аспектов полезного использования тех преимуществ, которые вытекают из изоляции поверхностных токов. Один из аспектов заключается в возможности выбора приоритета - либо увеличить точность измерений, либо работать с устройством при более высокой температуре, снизив требования к охлаждению. Очень важной явилась бы возможность перехода от жидкостного или газового охлаждения к охлаждению элементом Пельтье, что упростило бы конструкцию детектора. В германии, кремнии и других материалах, обладающих запрещенной зоной с непрямыми переходами, поглощение фотонов, имеющих энергию ниже определенного порога, основано на взаимодействии с фононами. Вероятность поглощения фотонов с участием фононов зависит от плотности фононов, которая в свою очередь зависит от температуры. Таким образом, увеличение рабочей температуры увеличивает квантовую эффективность детекторов для фотонов, энергия которых близка ширине запрещенной зоны, подобно фотонам ближней ИК-области спектра в кремнии. Другой важный аспект заключается в том, что граничные слои склонны к радиационному разрушению, что увеличивает поверхностный ток обедненного граничного слоя и снижает долговечность детекторов традиционной конструкции. Изоляция сигнального заряда от поверхностного тока, в соответствии с настоящим изобретением, помогает исключить данный недостаток.
Примеры осуществления изобретения, представленные в настоящей заявке, не следует трактовать как примеры, накладывающие ограничения на применимость формулы изобретения. Глагол «содержать» используется в настоящей заявке как не ограничительный, который не исключает существования не сформулированных признаков. Признаки, изложенные в зависимых пунктах формулы изобретения, допускают свободное взаимное комбинирование, если явным образом не оговорено иное.
Элементы новизны, которые рассматриваются в качестве отличительных признаков настоящего изобретения, изложены в прилагаемой формуле изобретения. Тем не менее, само изобретение, как конструкцию, так и способ работы, а также дополнительные задачи и преимущества, можно будет наилучшим образом понять из последующего описания конкретных вариантов осуществления вместе с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен принцип построения структуры, соответствующей варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.2 представлены кривые распределения потенциалов для электронов в детекторе, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки;
на фиг.3 представлено распределение потенциалов для электронов в трехмерном виде;
на фиг.4 представлены кривые распределения потенциалов для электронов в детекторе, в котором в качестве сигнальных зарядов используются электроны;
на фиг.5 представлен вариант построения структуры;
на фиг.6 представлены кривые распределения потенциалов для электронов в детекторе, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки;
на фиг.7А представлена структура с канавками;
на фиг.7В представлена структура с канавками;
на фиг.7С представлена структура с канавками;
на фиг.7D представлена структура с канавками;
на фиг.7Е представлена структура с канавками;
на фиг.7F представлена структура с канавками;
на фиг.7G представлена структура с канавками;
на фиг.7Н представлена структура с канавками;
на фиг.7I представлена структура с канавками;
на фиг.8А представлена граница устройства с МВЗ;
на фиг.8В представлена граница устройства с МВЗ;
на фиг.9А представлена граница устройства с МВЗ;
на фиг.9В представлена граница устройства с МВЗ;
на фиг.10А представлена граница устройства с МВЗ;
на фиг.10В представлена граница устройства с МВЗ;
на фиг.11А представлена граница устройства с МВЗ;
на фиг.11В представлена граница устройства с МВЗ;
на фиг.12 представлена граница устройства с МВЗ;
на фиг.13А представлена граница устройства с МВЗ;
на фиг.13В представлена граница устройства с МВЗ;
на фиг.14 представлена граница устройства с МВЗ (отсутствует);
на фиг.15 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.16 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.17 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.18 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.19 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.20 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.21 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.22 представлен двухпиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.23 представлен двухпиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.24 представлен двухпиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.25 представлен трехпиксельный элемент устройства с МВЗ;
фиг.26 иллюстрирует принцип регистрации сигнального заряда;
фиг.27А иллюстрирует принцип действия структуры ВЗ с транзистором JFET;
фиг.27В иллюстрирует принцип действия структуры МВЗ с транзистором JFET;
фиг.27С иллюстрирует принцип действия другой структуры МВЗ с транзистором JFET;
фиг.28А дополнительно иллюстрирует принцип действия структуры ВЗ с транзистором JFET;
фиг.28В дополнительно иллюстрирует принцип действия структуры МВЗ с транзистором JFET;
фиг.29А иллюстрирует принцип действия структуры ВЗ с транзистором MOSFET;
фиг.29В иллюстрирует принцип действия структуры МВЗ с транзистором MOSFET;
на фиг.30 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.31 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.32 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.33 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;
на фиг.34 представлено устройство с МВЗ с плавающим эмиттером;
на фиг.35А представлен простой активно-пиксельный датчик (АПД);
на фиг.35В представлено устройство АПД с каналоограничивающими областями, полученными ионной имплантацией;
на фиг.35С представлено другое устройство АПД с каналоограничивающими
областями, полученными ионной имплантацией;
на фиг.35D представлен прибор с переносом заряда (ППЗ);
на фиг.35Е представлен другой ППЗ.
Осуществление изобретения
Многослойные структуры и распределение потенциалов
На фиг.1 показано поперечное сечение полупроводникового детектора с тыльным освещением. Тыльная поверхность, через которую излучение входит в детектор, на чертеже обращена вниз. От тыльной поверхности по направлению к фронтальной поверхности вначале может располагаться необязательный (дополнительный) противоотражающий, сцинтиллирующий или проводящий слой 101, при этом проводящим материалом может быть металл или прозрачный проводящий оксид (ППО). Поверх слоя 101 располагается тонкий проводящий тыльный слой 102, который используется для отвода вторичного тока за пределы активной области. Данный слой образован, например, легированием тыльной поверхности объемного слоя 103 примесью, создающей проводимость первого типа. Варианты, альтернативные двум указанным слоям 101 и 102, представлены в находящейся на рассмотрении заявке Финляндии 20040966, которая наряду с настоящей заявкой находится в стадии рассмотрения и содержание которой включено в настоящую заявку путем ссылки.
12
3
Желательно, чтобы объемный слой 103 детектора был выполнен из высокоомного полупроводникового материала (с концентрацией примеси около 10/см или менее) с проводимостью первого или второго типа. Под типом проводимости здесь понимается тип примесной проводимости (дырочной или электронной), т.е. проводимости с избытком, соответственно, положительных или отрицательных зарядов. Далее, в направлении фронтальной поверхности находится слой 104 с проводимостью второго типа, выполненный, например, путем ионной имплантации или эпитаксиального выращивания. В дальнейшем слой 104 именуется слоем «модифицированного внутреннего затвора» (МВЗ). С фронтальной стороны слоя 104 МВЗ находится слой 105, снова с проводимостью первого типа, который в данном описании называется барьерным. Барьерный слой 105 может быть получен, например, путем ионной имплантации или эпитаксиального выращивания. Сверху слоя 105 могут находиться защитные изолирующие слои и проводящие слои, образующие межсоединения, затворы, конденсаторы и т.п.
В барьерном слое 105 выполнена структурная ионная имплантация участков или областей 111, 112, 113, 114, которые имеют проводимость второго типа, соответствуют элементам изображения (пикселям) и в дальнейшем называются участками или областями легирования элементов изображения (пикселей). Область между участками легирования пикселей, например, между участками 111 и 112, действует как каналоограничивающая область, которая изолирует пиксели и собирает вторичный заряд, образовавшийся, например, в граничных слоях обедненной области. Между пикселями могут быть размещены необязательные (дополнительные), каналоограничивающие участки 115, 116, 117, 118, 119 с проводимостью первого типа, полученные ионной имплантацией, которые находятся под потенциалом смещения или имеют плавающий потенциал.
Разность электрических потенциалов между участками 111 легирования пикселей и смещенным тыльным слоем (слоем 102 структуры по фиг.1) в данном описании называется напряжением Vp пикселя. Место, расположенное точно посередине между участками 111 и 112 легирования пикселей, называется каналоограничивающей областью. Разность электрических потенциалов между каналоограничивающей областью и смещенным тыльным слоем называется каналоограничивающим напряжением Vcs. Разность электрических потенциалов между участками легирования пикселей фронтальной стороны и смещенным тыльным слоем 102 во время фазы стирания заряда называется напряжением Vc стирания. Амплитуды указанных напряжений соотносятся следующим образом |Vc|>|Vp|>|Vcs|.
+
Для объяснения работы полупроводникового детектора по фиг.1 вначале предположим, что тыльный слой 102 обладает проводимостью n-типа, слой 104 МВЗ имеет проводимость p-типа, барьерный слой 105 имеет проводимость n-типа, а участок 111 легирования пикселя имеет проводимость p-типа. Объемный слой 103 выполнен из высокоомного полупроводникового материала n-типа или p-типа, т.е. подложка является почти собственным полупроводником (i-типа).
На фиг.2 приведены функции распределения потенциалов для электронов в многослойной структуре по фиг.1 по перпендикуляру от фронтальной до тыльной поверхности, в точках легирования пикселей и каналоограничивающих областях, когда между ними и смещенным тыльным слоем 102 приложены различные напряжения. Плоские участки функции распределения потенциалов соответствуют нейтральным областям, а наклонные участки - обедненным областям. Кривая 201 представляет случай, когда между участком легирования пикселя и смещенным тыльным слоем имеется разность потенциалов Vc. Относительно большая отрицательная величина Vc предполагает, что кривая потенциала для электронов окажется монотонно спадающей линией от максимума в точке легирования пикселя до минимума в смещенном тыльном слое 102. Как показано в вышеупомянутой заявке Финляндии 20040966, которая наряду с настоящей заявкой находится в стадии рассмотрения, проводящий слой и дополнительный слой 101 могут быть заменены структурой, использующей обогащенный слой, расположенный в объемном слое 103, непосредственно рядом с указанной структурой, см. зону 211 на фиг.2. Что касается подробных сведений о получении обогащенного слоя и его использовании в работе детектора, то эти вопросы изложены в заявке Финляндии 20040966, которая наряду с настоящей заявкой находится в стадии рассмотрения.
Кривая 202 представляет изменение потенциала для электронов вдоль линии, отходящей перпендикулярно от точки легирования пикселя, при этом между указанной точкой и смещенным тыльным слоем действует напряжение Vp пикселя. Абсолютная величина Vp меньше, чем Vc, что означает, что функция 202 изменения потенциала для электронов не является монотонно спадающей линией, а имеет на своем пути определенные изгибы. Локальный максимум 215 находится в точке легирования пикселя, от которого функция изменения потенциала падает до локального минимума 216 в барьерном слое 105 (точка 216 представляет собой точку трехмерного седла как для сигнальных, так и для вторичных зарядов). От данного локального минимума функция изменения потенциала нарастает к локальному максимуму 212 в слое 104 МВЗ (точка 212 является точкой трехмерного минимума потенциальной энергии для сигнальных зарядов), от которого функция затем монотонно падает до локального минимума на поверхности проводящего слоя 102. Соответственно, функция изменения потенциала для электронов по перпендикуляру от каналоограничивающей области к смещенному тыльному слою представлена кривой 203, соответствующей напряжению Vcs между смещенной или плавающей каналоограничивающей областью и смещенным тыльным слоем. В данном случае функция изменения потенциала имеет местный потенциальный минимум 213 в каналоограничивающей области и потенциальный максимум 214 в слое 104 МВЗ, откуда функция монотонно падает до локального минимума на поверхности проводящего слоя 102.
Если просмотреть изменение потенциала для электронов поперек детектора, проходя поочередно «пиксели» (участки легирования пикселей, подключенные к Vp) и «каналоограничивающие области» (области, подключенные к Vcs), то получится диаграмма в виде волнообразной поверхности такого типа, какая грубо представлена на фиг.3. Линии изменения потенциала, которые точно соответствуют кривым 202 и 203 на фиг.2, на фиг.3 показаны утолщенными линиями. Хорошо видно, что имеет место соответствующий каждому пикселю локальный трехмерный максимум 212 потенциала в слое МВЗ, причем указанные максимумы отделены друг от друга в поперечном направлении зонами более низкого потенциала, совпадающими с каналоограничивающими областями. Соответственно, внутри барьерного слоя 105 имеет место локальный трехмерный минимум 213 потенциала, соответствующий каждой каналоограничивающей области, причем указанные минимумы отделены друг от друга в поперечном направлении зонами более высокого потенциала, совпадающими с пикселями. На фиг.3 также показана точка 216 трехмерного седла для сигнальных и вторичных зарядов, которая соответствует каждому пикселю. Поскольку речь идет о потенциалах для электронов, то любые свободные электроны в полупроводниковом материале будут предпочитать двигаться в направлении точек минимальной потенциальной энергии для электронов, в то время как дырки предпочтут собираться в точках максимальной потенциальной энергии для электронов, которые для дырок, естественно, являются точками минимальной потенциальной энергии.
Когда фотон или заряженная частица падает на детектор, в объемном слое 103 создается некоторое число электронов и дырок. Если рассмотреть ситуацию, представленную на фиг.2, электрическое поле перемещает электроны в направлении тыльной поверхности детектора, где происходит их сбор проводящим тыльным слоем и, возможно, обогащенным слоем. Дырки перемещаются в направлении слоя МВЗ, где благодаря вышеописанному распределению потенциальной энергии для электронов происходит их захват в точках 212, совпадающих с пикселями. С другой стороны, электроны, которые генерируются на фронтальной поверхности детектора, направляются каналом 216 и захватываются в барьерном слое точками локальных минимумов 213 потенциальной энергии для электронов, которые соответствуют каналоограничивающим областям. Дырки, которые генерируются на поверхности, собираются в точках локальных максимумов 215 потенциальной энергии для электронов - соответственно, в местах легирования пикселей. Такие образовавшиеся на поверхности дырки обычно должны были бы добавляться к сигнальному заряду. В данном же случае распределение потенциала внутри детектора изолирует образовавшиеся на поверхности дырки от сигнального заряда, который в рассматриваемом случае представлен дырками, которые вызваны излучением и которые захвачены слоем МВЗ.
+
На фиг.4 показано распределение потенциала для электронов в детекторе, в котором слой 102 является слоем p-типа, слой 104 - слоем n-типа, слой 105 - слоем p-типа, а ионно-легированный участок 111 пикселя имеет проводимость n-типа. Объемный слой - это слой с собственной проводимостью (i). Поведение зарядов, индуцированных излучением, очень похоже на поведение зарядов, рассмотренное для детектора по фиг.2, только в данном случае роли электронов и дырок прямо противоположны. В потенциальных ямах, совпадающих с пикселями, собираются электроны, которые теперь составляют сигнальный заряд, а электроны, которые возникают на поверхности, не мешают измерению, так как собираются в местах легирования пикселей. Дырки, образовавшиеся на поверхности, захватываются в барьерном слое в каналоограничивающих областях. На фиг.4 кривая 401 представляет собой график монотонно нарастающего потенциала для электронов между точками легирования пикселей и тыльной поверхностью во время очистки сигнального заряда напряжением Vc, кривая 402 иллюстрирует изменение потенциала для электронов в месте расположения пикселя (Vp), а кривая 403 иллюстрирует изменение потенциала для электронов в каналоограничивающей области (Vcs). Электроны, выбитые излучением, собираются в точках 412, в то время как образовавшиеся на поверхности дырки захватываются в точках 413, а образовавшиеся на поверхности электроны собираются в точках 415, т.е. в местах легирования пикселей. Точки 411, 414 и 416 соответствуют точкам 211, 214 и 216 на фиг.2.
На фиг.5 представлен вариант осуществления структуры, в которой создан пиксельный слой 506 с проводимостью второго типа путем сплошной ионной имплантации или выращивания эпитаксиального слоя поверх барьерного слоя 105. Участки 511 и 512 легирования пикселей разделены, предпочтительно, обратносмещенными каналоограничивающими участками 516 легирования с проводимостью первого типа, причем указанные участки выполнены внутри пиксельного слоя 506. Каналоограничивающий участок 516 легирования, который в дальнейшем именуется каналоограничивающей областью, может быть таким же, как и затвор JFET транзистора или полученный ионной имплантацией эмиттер биполярного транзистора, о котором будет сказано далее. Желательно, чтобы в данном случае каналоограничивающая область 516 имела обратное смещение по сравнению с участком легирования пикселя. Если участок 516 легирования проходит слой 506 насквозь, ситуация по сути становится такой же, что и на фиг.1.
Функции распределения потенциала для электронов в структуре по фиг.5 представлены на фиг.6. Функции 201 и 202 распределения в направлении перпендикулярно от участков 511 и 512 легирования пикселей к смещенному тыльному слою 102 представляют случаи, когда указанные участки находятся, соответственно, под потенциалом стирания заряда и под рабочим потенциалом пикселя. Данные кривые идентичны кривым по фиг.2. В каналоограничивающих областях соответствующая функция 603 распределения потенциала отличается от кривой 203, показанной на фиг.2. У функции 603 имеется дополнительный локальный максимум 617 и дополнительный локальный минимум 618. Локальный минимум 213 потенциальной энергии для электронов собирает образовавшиеся на поверхности электроны, а канал 617 направляет образовавшиеся на поверхности дырки к локальному максимуму 215 потенциальной энергии для электронов на участок легирования пикселей. Функция 604 распределения потенциала представляет собой возможный профиль напряжения в каналоограничивающей области, при которой осуществляется сток электронов из потенциального минимума 618. Это может быть сделано, например, путем понижения абсолютной величины разности напряжений между фронтальной поверхностью и тыльной поверхностью кристалла.
Границы устройств, соответствующих фиг.1 и фиг.5, не показаны. Границы должны быть нейтральными, чтобы предотвратить появление избыточных токов утечки на краях кристалла, которые значительно увеличат энергопотребление устройства. Область нейтральной границы можно получить, используя охранные структуры. Некоторые примеры таких структур, в основе которых лежат канавки, представлены на фиг.7А - 7Н. На многослойных структурах, показанных на фиг.1-5, представлен только слой 104 МВЗ. На фиг.7А представлена простая структура с канавками, заполненными изолирующим материалом 701. На фиг.7В на дне канавки образована легированная область 710 с проводимостью первого типа путем перпендикулярной ионной имплантации до заполнения канавки изолирующим материалом. После указанной операции легирования можно также провести перпендикулярную или наклонную глубокую ионную имплантацию, т.е. высокоэнергетическую имплантацию примеси, создающую проводимость второго типа, с образованием легированной области с проводимостью второго типа ниже легированной области 710, обладающей проводимостью первого типа (это также относится к структурам на фиг.7C и 7D). Перед заполнением канавки можно осуществить жидкое травление.
Более сложная структура с канавками представлена на фиг.7С, где вначале наклонной ионной имплантацией было произведено легирование стенок канавки примесью, создающей проводимость второго типа. Затем было продолжено травление, и, как результат, на стенках канавки образованы легированные области 711 и 712 с проводимостью второго типа. По окончании процесса травления перпендикулярной ионной имплантацией на дне канавки была создана легированная область 710 с проводимостью первого типа. Перед заполнением канавки изолирующим материалом 701 может быть произведена операция жидкого травления. Все указанные операции могут быть выполнены при однократном маскировании. До изготовления канавки или после ее изготовления могут быть созданы дополнительные (необязательные) легированные области 721 и 722 с проводимостью первого типа. Следует отметить, что если канавка окружает какую-то область, слои МВЗ внутри и снаружи канавки могут находиться под разным потенциалом. Легированные области 721 и 722 можно использовать для подключения отдельных участков слоя МВЗ к разным потенциалам. Если канавка представляет собой точечное отверстие, то легированные области 721 и 722 также можно создавать наклонной ионной имплантацией.
Еще более сложная структура с канавками представлена на фиг.7D. Технологические этапы получения данной структуры могут быть подобными технологическим этапам структуры по фиг.7С вплоть до операции заполнения канавки. На фиг.7D на стенки канавки нанесен изолирующий слой. После этого изолирующий слой на дне канавки был вытравлен и образованы изолирующие слои 702, 703. На данном этапе также может быть выполнено легирование 710. Наконец, производится заполнение канавки, например, поликристаллическим полупроводниковым материалом 704 с проводимостью первого типа, что позволяет установить смещение области легирования 710. Канавку можно также заполнять подходящим металлом или изолятором. Все вышеуказанные операции могут быть выполнены при однократном маскировании.
Другой тип структуры с канавками показан на фиг.7Е. Данную структуру получают, вытравливая канавку и имплантируя в стенки канавки примесь, создающую проводимость второго типа, так чтобы получить легированную область 713. Затем канавку заполняют изолирующим материалом 701, или металлом, или поликристаллическим материалом. Структура канавки на фиг.7F по существу такая же, что и на фиг.7Е. Данную структуру получают, вытравливая канавку и заполняя ее поликристаллическим материалом 705 с проводимостью второго типа. Области 714. 723 и 724 структуры с канавками на фиг.7G соответствуют областям 713, 721 и 722 структуры с канавками на фиг.7Е, за исключением того, что легирование производится примесью, создающей проводимость противоположного типа. Можно также выполнить глубокую ионную имплантацию примеси, создающей проводимость второго типа, до или после проведения ионной имплантации в области 714. Области 704, 723 и 724 структуры с канавками на фиг.7Н соответствуют областям 705, 721 и 723 структуры с канавками на фиг.7F, за исключением того, что они легированы примесью, создающей проводимость противоположного типа. Перед заполнением канавки на фиг.7Н стенки канавки можно легировать примесью, создающей проводимость второго или первого типа. Можно также в стенки канавки произвести поверхностную ионную имплантацию примеси, создающей проводимость первого типа, и глубокую имплантацию примеси, создающей проводимость второго типа. Легированные области 715 и 716 с проводимостью первого типа на стенках структуры с канавками, показанные на фиг.71, могут быть получены способом, аналогичным получению легированных областей 711 и 712 с проводимостью второго типа на фиг.7С. Структуры 715 и 716 могут использоваться для создания контакта с барьерным слоем 105. Дно канавки также может быть легировано примесью, создающей проводимость первого или второго типа, после чего может быть произведена глубокая имплантация примеси, создающей проводимость противоположного типа.
Граница устройства, представленного на фиг.1 и имеющего легированный объемный слой 103 с проводимостью первого типа, показана на фиг.8А. Канавки 821, 822, 823 и 824 могут по структуре быть, например, таких типов, какие представлены на фиг.7А, 7В, 7С и 7D. Желательно, чтобы активная зона, содержащая пиксели 812, 813 и дополнительные каналоограничивающие структуры 816, 817, 818, была окружена охранной кольцевой структурой 811, легированной примесью, создающей проводимость второго типа. Желательно, чтобы охранная структура 811 была окружена дополнительной кольцевой охранной структурой 815, легированной примесью, создающей проводимость первого типа. Барьерный слой на границе кристалла может быть подключен через дополнительную (необязательную) область 810, легированную примесью, создающей проводимость первого типа. Также могут присутствовать контакты для подключения областей, лежащих между канавками.
Принцип работы устройства по фиг.8А следующий. Смещение объемного слоя 103 и тыльного слоя 102 может быть произведено с тыльной стороны путем создания контакта, ведущего к тыльному слою 102. В качестве варианта, для смещения объемного и тыльного слоев с фронтальной стороны устройства может быть использована структура канавок, показанная на фиг.7D. Дополнительная легированная область 810 также подключена к тому же потенциалу, что и тыльный, и объемный слои. Между легированными областями 811, 812, 813 с проводимостью второго типа и тыльным слоем 102 прикладывается обратное смещение Vp. Между дополнительными легированными областями 815, 816, 817, 818 с проводимостью первого типа и легированными областями 811, 812 и 813 с проводимостью второго типа возможно приложение обратного смещения величиной ||Vp|-|Vcs||. Области 811 и 815 могут содержать электронные схемы выборки и считывания и могут быть подключены к иному потенциалу, нежели Vp или Vcs. Как результат вышеописанной организации смещения устройства, внутри устройства создается обедненная область. Благодаря структурам канавок 821-824 граница 840 обедненной области не достигает границы кристалла. Области между структурами канавок 821-822 желательно оставлять под плавающим потенциалом, но на них также может быть подано и смещение.
Сигнальный заряд из слоя МВЗ можно удалять путем увеличения напряжения обратного смещения между участками легирования пикселей и тыльным слоем. Это можно производить путем изменения потенциала участков легирования пикселей или путем изменения потенциала тыльного слоя 102. Преимущество первого способа в том, что при необходимости очистка пикселей от сигнальных зарядов может производиться индивидуально. Однако следствием процесса индивидуальной очистки являются высокие значения напряженности электрического поля на фронтальной поверхности. При втором способе сигнальный заряд во всех пикселях стирается одновременно. Однако при втором способе потенциал пикселей может оставаться все время постоянным (например, являться потенциалом земли), что упрощает построение электронных схем выборки и считывания. При любом из способов напряжение каналоограничивающих областей можно изменять, чтобы улучшить стирание сигнального заряда.
Объемный слой 103 устройства на фиг.8В легирован примесью, создающей проводимость второго типа. В рассматриваемом случае необходима двухсторонняя обработка, чтобы получить охранные структуры 831-834 с проводимостью первого типа с тыльной стороны устройства. Другая проблема устройства в том, что приходится выполнять проволочное подключение тыльного слоя. На фронтальной стороне устройства требуется только одна канавка 825. Структура канавки может быть, например, одной из представленных на фиг.7Е или 7F. Смещение объемного слоя может быть произведено с использованием указанных канавок. Желательно, чтобы легированная область 819 с проводимостью первого типа представляла собой кольцо, охватывающее активную зону, содержащую пиксели. Легированная область 814 с проводимостью второго типа может представлять собой кольцо, окружающее активную зону или один пиксель. Электронные схемы выборки и считывания могут быть размещены снаружи, т.е. с левой стороны канавки, а также в легированных областях 814 и 819. Дополнительно, для улучшения контакта с объемным слоем с левой стороны канавки 825 могут быть созданы структуры канавок точечного типа.
При работе нейтральная часть объемного слоя 103 и дополнительная легированная область 810 находятся под одинаковым потенциалом. Между тыльным слоем 102 и нейтральной частью объемного слоя 103 подается высокое напряжение обратного смещения. Охранные структуры 831-834 желательно держать под плавающим потенциалом, но на них также может быть подано и смещение. Между легированной областью 819 с проводимостью первого типа и нейтральным объемным слоем 103 подается напряжение обратного смещения. Данное напряжение обратного смещения должно быть достаточно высоким, чтобы канал в слое 104 МВЗ привести в состояние отсечки. Желательно, чтобы разность напряжений между тыльным слоем 102 и всеми легированными областями 812-814 с проводимостью второго типа во время накопления сигнального заряда составляла Vp. Желательно, чтобы все легированные области 816, 817, 819 с проводимостью первого типа были подключены к напряжению Vcs каналоограничивающих областей и чтобы между ними и легированными областями 812-814 с проводимостью второго типа существовало обратное смещение. Очистка сигнального заряда производится тем же способом, что в устройстве, показанном на фиг.8А.
Граница устройства, представленного на фиг.5 и имеющего объемный слой, легированный примесью, создающей проводимость первого типа, показана на фиг.9А. Структуры канавок данного устройства могут быть такими же, как и в устройстве на фиг.8А. Легированная область 910 с проводимостью второго типа находится в контакте с пиксельным слоем 506 с проводимостью второго типа. Указанная легированная область должна находиться под тем же потенциалом, что и нейтральный объемный слой 103. Принцип действия устройства по фиг.9А уже был объяснен в связи с фиг.6, и он в большой степени подобен принципу действия устройства по фиг.8А. Граница устройства, представленного на фиг.5 и имеющего объемный слой, легированный примесью, создающей проводимость второго типа, показана на фиг.9В. Структуры канавок данного устройства могут быть такими же, что и в устройстве фиг.8В, или же можно использовать структуру, показанную на фиг.7I. Принцип действия также в большой степени подобен принципу действия устройства по фиг.8В.
Устройства, представленные на фиг.10А и 10В, соответствуют устройствам по фиг.9А и 9В. В двух первых упомянутых устройствах слой 105 получают путем ионной имплантации структуры, которая требует однократного маскирования. Канавки на фиг.10А могут быть, например, такого же типа, какие представлены на фиг.7А, 7В и 7D. Однако в этом случае структуры 711, 712, 721 и 722 не требуются. На фиг.10А дополнительный (необязательный) легированный участок 1010 держат под тем же потенциалом, что и нейтральный объемный слой. Дополнительный легированный участок 1030 на фиг.10В автоматически оказывается под тем же потенциалом, что и объемный слой. Дополнительный легированный участок 1020 может либо иметь плавающий потенциал, либо на него может быть подано смещение. Если легированный участок 1020 работает в качестве смещенного охранного кольца, то легированный участок 811 может также являться пикселем. В таком случае легированный участок 1020 должен находиться под потенциалом Vp пикселя, и он может содержать электронные схемы выборки и считывания. Принцип действия рассматриваемого устройства такой же, что и устройства, представленного на фиг.8А. В устройстве по фиг.10В не требуются никакие структуры с канавками. Принципы действия устройств по фиг.8В и 10В одинаковы.
Устройства, показанные на фиг.11А и 11В, соответствуют устройствам по фиг.9А и 9В. В двух первых упомянутых устройствах слой 506 получают, например, посредством структурной ионной имплантации. Структуры канавок на фиг.11А могут быть такими же, что и на фиг.8А и 9А, а структура канавки на фиг.11В может быть такой же, как и на фиг.8В и 9В. Дополнительная легированная область 1115 может иметь плавающий потенциал, или может быть смещена, например, потенциалом каналоограничивающих областей. Легированная область 1115 может также содержать электронные схемы выборки и считывания.
Слои 104 и 105 в устройстве, показанном на фиг.12, получены посредством, например, двукратной структурной ионной имплантации. Охранные структуры 1231-1234 имеют плавающий потенциал, что является предпочтительным, но могут быть и смещены. В этом случае не требуются никакие канавки. На фиг.13А и 13В слои 105 и 506 получены, например, посредством двукратной структурной ионной имплантации. Слои 104, 105 и 506 устройства, представленного на фиг.14, получены, например, посредством трехкратной структурной ионной имплантации. Принципы действия устройств по фиг.8А, 9А, 10А, 11А, 12, 13А и 14 в большой степени подобны друг другу. То же самое относится и к устройствам на фиг.8В, 9В, 10В,11В и 13В.
Вторичные заряды, создаваемые в объемном слое 103, собираются посредством смещенного тыльного слоя 102, внутри которого они переносятся к границе устройства. Легированная область 1210 и структура канавки 821 могут использоваться в качестве фронтального контакта для объемного слоя 103 и смещенного тыльного слоя 102 в устройствах, представленных на фиг.9А, 10А, 11А, 12, 13А и 14. Указанный контакт собирает вышеупомянутые вторичные заряды после их диффузии через нейтральный объемный слой. В устройствах, показанных на фиг.8В, 9В, 10В, 11В и 13В, контакт, который ведет к смещенному тыльному слою 102 и который собирает вышеупомянутые вторичные заряды, желательно располагать в точке, находящейся вне активной зоны. В последних упомянутых устройствах смещение нейтрального объемного слоя можно осуществлять посредством легированной области 1030 или структуры 825 канавки.
Из фиг.10А-14 можно сделать вывод, что структуры по фиг.1 и 5 могут быть получены различными способами. Например, слой 104 может быть получен эпитаксиальным выращиванием, а слой 105 - ионной имплантацией. Точно так же оба указанных слоя 104 и 105 могут быть получены ионной имплантацией или эпитаксией. В структуре, представленной на фиг.5, слой 506 может также быть получен эпитаксией или ионной имплантацией. Все вышеупомянутые операции ионной имплантации могут представлять собой либо сплошную, либо структурную имплантацию, т.е. имплантацию, выполняемую через фоторезист с рисунком. Равным образом, вместо имплантации может быть использована диффузия.
В устройстве по фиг.1 между пикселями могут также располагаться одно или несколько охранных колец с проводимостью второго типа, находящихся под плавающим потенциалом или под смещением. В устройстве по фиг.5 между пикселями могут также располагаться одно или несколько охранных колец с проводимостью первого типа, находящихся под плавающим потенциалом или под смещением. Между пикселями можно даже использовать охранные кольца с МОП структурой, которые имеют плавающий потенциал или смещение.
Для правильности работы детектора важное значение имеет надлежащее выполнение смещения устройств, соответствующих фиг.1 и 5. Требуется, чтобы объемный слой 103 был полностью обедненным под активной зоной и был нейтральным на границе устройства. Например, если в устройствах, у которых объемный слой легирован примесью, создающей проводимость первого типа, значительно снижать напряжение фронтальной поверхности по сравнению с напряжением Vcs, то в некоторой точке обратное смещение pn-перехода между слоем МВЗ и объемным слоем окажется слишком малым, что означает, что объемный слой уже не будет полностью обедненным. Графически это можно было бы представить кривой, которая идет под кривой 203 фиг.2 и имеет плоский участок, который появляется с крайней правой стороны. Также должно присутствовать достаточное количество охранных структур, ибо в противном случае область обеднения может дойти до границы устройства.
Регистрация сигнального заряда
Чтобы было легче понять принципы регистрации сигнального заряда в полупроводниковом детекторе, соответствующем варианту осуществления настоящего изобретения, полезно вначале рассмотреть некоторые возможные способы реализации на верхней стороне области легирования пикселя полевого транзистора, желательно со структурой MOSFET или JFET, или биполярного транзистора.
Верхняя часть фиг.15 представляет собой вид в плане стандартного транзистора MOSFET, который на нижней части фиг.15 показан в виде поперечного сечения по линии, обозначенной в верхней части фигуры. На чертеже показаны легированные области 1501 истока и 1502 стока, которые соответствуют области 111 легирования пикселя на фиг.1. Представленная на фиг.1 дополнительная (необязательная) каналоограничивающая легированная область 115 с проводимостью первого типа, с плавающим потенциалом или смещенная, соответствует легированной области 1505 с проводимостью первого типа. Затвором MOSFET служит область 1503, расположенная поверх изолирующего слоя 1506. Под затвором находится локальная область 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое 104 МВЗ с проводимостью второго типа, которая является необязательной. В области легирования пикселя на фиг.15 также виден выступ 1510. Легирование барьерного слоя 105 в подзатворной области можно также изменять, применяя, например, структурную ионную имплантацию.
На фиг.16 показан кольцевой JFET, в котором легированная область 1603 затвора с проводимостью первого типа находится между истоком 1601 и стоком 1602, которые имеют проводимость второго типа и соответствуют легированию пикселя. Следует отметить, что исток и сток можно поменять местами. Необязательную локальную область 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое МВЗ желательно предусматривать только под частью затвора кольцевого JFET. На фиг.17 показан прямоугольный JFET, в котором легированная область 1505 действует в качестве затвора. На фиг.17 также показан дополнительный выступ 1710 области легирования пикселя. На фиг.18 представлен вариант структуры JFET, в которой область легирования затвора заменена структурой 1803, 1506 МОП. На фиг.18 показан дополнительный выступ 1810 области легирования пикселя. На фиг.19 представлена еще одна возможная транзисторная структура, а именно биполярный транзистор, содержащий легированную область 1902 эмиттера с проводимостью первого типа и область 1901 базы, соответствующие области легирования пикселя.
В основе пиксельных структур, представленных на фиг.15-19, лежит устройство по фиг.1. Пиксельные структуры по фиг.20 и 21 даны в качестве примера структур, в основе которых лежит устройство, показанное на фиг.5. Структура по фиг.20 соответствует кольцевой структуре JFET по фиг.16. Единственное отличие заключается в том, что вместо структурного легирования пикселя используется слой 506 пиксельного легирования. Легированная область 2005 с проводимостью первого типа действует в качестве каналоограничивающей области. Легированную область 2005 можно также заменить областью 2007 с проводимостью первого типа, которая работает в качестве каналоограничивающей структуры с плавающим потенциалом. Структура по фиг.21 соответствует биполярной структуре, показанной на фиг.19.
Структура пикселя, построенная из двух транзисторов MOSFET, представлена на фиг.22. На фиг.22 показаны легированная область 2201 с проводимостью первого типа, действующая в качестве дополнительного истока, дополнительный затвор 2203 и дополнительная (необязательная) локальная область 2204 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое МВЗ. Расположение истока и стока также можно поменять местами. Сигнальный заряд в слое МВЗ можно передавать между подзатворными областями MOSFET, прикладывая надлежащие напряжения смещения (импульсы смещения) к легированным областям 1501, 1502 и 2201, а также к затворам 1503 и 2203. Такие структуры с двумя транзисторами могут быть образованы из всех устройств, представленных на фиг.16-21. Структуры на фиг.23 и 24 приведены в качестве примера. Двухтранзисторная структура на фиг.23 соответствует биполярной структуре, приведенной на фиг.19. На фигуре показаны дополнительные эмиттер 2302 и база 2301. Вместо дополнительной (необязательной) легированной области 2303 или вдобавок к ней между двумя транзисторами могут быть использованы МОП структуры. Сигнальный заряд можно передавать между подэмиттерными областями, прикладывая надлежащие напряжения смещения к областям 1901, 1902, 2301, 2302 и 2303. Вместо двух раздельных баз 1901 и 2301 можно было бы использовать общую базу. Однако в этом случае сигнальные заряды можно транспортировать, прикладывая соответствующие потенциалы (обратное смещение) только к эмиттерам 1902 и 2302. Двухтранзисторная структура на фиг.24 соответствует кольцевой структуре JFET, представленной на фиг.16. На фигуре показаны дополнительные исток 2401, сток 2402 и затвор 2403. Сигнальный заряд можно передавать между подзатворными областями, прикладывая соответствующие потенциалы смещения к областям 1601, 1602, 1603, 2401, 2402, 2403 и 2303. Вместо двух раздельных истоков 1601 и 2401 можно было бы использовать один общий исток.
Пиксельная структура, составленная из трех транзисторов MOSFET, показана на фиг.25. Данная структура содержит три легированные области 2501, 2502 и 2503, действующие в качестве истоков или стоков, и четыре затвора 2504, 2505, 2506 и 2507. Сигнальный заряд можно передавать между подзатворными областями 2504, 2505 и 2506, прикладывая соответствующие потенциалы смещения к областям 2501, 2502, 2503, 2504, 2505, 2506 и 2507. Когда сигнальный заряд находится под одним затвором, желательно, чтобы данный затвор был единственным затвором, канал под которым находится в открытом состоянии. К двум областям из 2501, 2502 и 2503, которые находятся по соседству с затвором вышеупомянутого открытого канала, прикладываются различные потенциалы. На фиг.25 показано, что под каждым затвором находится дополнительная (необязательная) локальная область 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое МВЗ. Равным образом может быть использована структура, в которой дополнительная локальная область 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое МВЗ располагается только под затворами 2504, 2505, 2506 и отсутствует под затвором 2507. Структура на фиг.25 имеет в своей основе структуру MOSFET, представленную на фиг.15, но аналогичные структуры могут быть получены из структур, приведенных на фиг.16-17.
Применительно к детекторам, в которых в качестве сигнальных зарядов используют дырки, на фиг.26 показано, как изменяются потенциалы для электронов в результате накопления сигнальных зарядов в областях легирования пикселей и сбора носителей поверхностного тока противоположного типа в каналоограничивающих областях. Предполагается, что для каждого пикселя имеется связанный с ним JFET, затвор которого присоединен к напряжению Vj, абсолютная величина которого меньше абсолютной величины Vp. Физическая реализация транзистора JFET и его связь с пикселем могут следовать, например, схемным моделям, которые были описаны выше со ссылкой на фиг.16.
На фиг.26 кривые 2601 и 2602 представляют распределение потенциалов для электронов соответственно в местах расположения пикселей и в каналоограничивающих областях перед началом накопления сигнала в слое МВЗ. Кривые 2611 и 2612 иллюстрируют, как меняются эти потенциалы после того, как фотон попадает на детектор, для случая структуры с плавающими каналоограничивающими областями. Если каналоограничивающая структура находится под смещением, то очевидно, что кривая 2612 будет такой же, как кривая 2602. Сигнальный заряд (дырки), накапливающийся в слое 104 МВЗ в области легирования пикселя, понижает потенциал для электронов в данной точке, приводя к тому, что на кривой 2611 потенциала появляется нейтральный (т.е. плоский) участок 2614. Это важно, потому что одновременно плоский участок кривой распределения потенциала в области легирования пикселей уменьшается по длине от Х1 до Х2. Длина указанного плоского участка представляет размеры и, соответственно, токонесущую способность канала JFET. Уменьшение размеров канала можно точно измерить, просто наблюдая за изменением тока, протекающего через JFET. В случае, если вместо JFET на фиг.19 применен биполярный транзистор, то на эмиттер подают определенное прямое смещение и измеряют изменение тока эмиттера, вызванное сужением базы. Важно отметить, что шумы в токах базы и эмиттера связаны. Шум может быть значительно уменьшен, если одновременно контролировать токи базы и эмиттера, что дает, например, возможность вычитать абсолютную величину тока базы из абсолютной величины тока эмиттера. Результирующий ток можно использовать в качестве тока сигнала.
При помощи фиг.26 можно объяснить вертикальный антиблюминговый механизм. Функция 2613 распределения потенциала описывает ситуацию, когда структура МВЗ под областью легирования пикселя полностью заполнена сигнальными зарядами. В этом случае абсолютная величина потенциала плоского участка 2615 структуры МВЗ больше, чем абсолютная величина локального максимума 2616 в слое МВЗ под каналоограничивающей областью. Таким образом, избыточный сигнальный заряд течет вертикально в область легирования пикселя вместо того, чтобы растекаться горизонтально в соседние пиксели. Другими словами, заполненный пиксель по-прежнему имеет потенциальный барьер в горизонтальном направлении и не имеет барьера в вертикальном направлении (не наоборот). Обратившись к кривой 2612 распределения потенциала, легко понять, что если поверхность особо отличается утечками, вызывающими существенные поверхностные токи, и если хочется использовать большие значения времени накопления, должны быть использованы каналоограничивающие структуры со смещением. В противном случае локальный максимум 2616 продолжит рост, и будет возникать горизонтальное растекание заряда.
Сигнальный заряд в слое МВЗ можно стереть, если приложить потенциал Vс очистки между областью легирования пикселя и смещенным тыльным слоем 102. Если потенциал тыльного слоя настроить так, чтобы выполнялось стирание сигнального заряда, то часть заряда в каналоограничивающих областях, находящихся под плавающим потенциалом, будет стекать в смещенный тыльный слой и кривая 2612 распределения потенциалов вернется к первоначальному положению 2602. Сигнальный заряд можно также стирать, прикладывая более высокую абсолютную разность потенциалов между каналоограничивающими областями и пикселями. Другая возможность заключается в том, чтобы одновременно прикладывать более высокую абсолютную разность потенциалов как между областями легирования пикселей и каналоограничивающими областями, так и между областями легирования пикселей и смещенным тыльным слоем.
Принцип действия, представленный на фиг.26, дает возможность регистрации малых величин сигнального заряда. Однако данный принцип действия не является единственно возможным. Если величина заряда, приходящаяся на пиксель, в среднем велика, то можно использовать другой принцип работы, заключающийся, например, в следующем. Вначале области легирования пикселей подключают к потенциалу Vc очистки, который соответствует стиранию сигнального заряда. Затем области легирования пикселей оставляют под плавающим потенциалом Vс, что соответствует фазе накопления сигнального заряда. Это означает, что накопление сигнальных зарядов производится непосредственно областями легирования пикселей, а не слоем МВЗ. Затем сигнальный заряд измеряют, используя полевой транзистор, затвор которого соединен с областью легирования пикселя. Такой принцип действия соответствует усилителю с плавающей диффузионной областью.
В ранее представленных транзисторных структурах, соответствующих фиг.15-19, область легирования пикселя имеет различную глубину у структур по фиг.15, 17, 18 и 19 под каналом MOSFET и JFET, а также под эмиттером биполярного транзистора. С помощью выступов 1510, 1710 и 1810 можно удерживать сигнальный заряд в ограниченных пределах под каналом MOSFET и JFET и эмиттером, увеличивая чувствительность устройств. Другой способ удержания сигнального заряда в ограниченных пределах заключается в локальном изменении уровня легирования слоя 104 МВЗ, например, используя локальные области 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое МВЗ. И еще один способ удержания сигнального заряда в ограниченных пределах состоит в локальном изменении уровня легирования барьерного слоя 105. Если не принять указанные меры, то сигнальный заряд будет сначала заполнять область под стоком MOSFET и JFET пикселей, где он оказывает лишь незначительное влияние на ширину канала. В биполярном пикселе сигнальный заряд распространился бы под всю область легирования базы, в меньшей степени влияя на ширину базы.
Существует два различных типа выступов в области легирования пикселя. В пиксельных структурах по фиг.17 и 19 легирование в области пикселя более глубокое под нужными зонами, а в структурах фиг.15 и 18 легирование более мелкое. Какой из этих случаев следует выбрать, зависит от уровней легирования и толщин слоев в многослойной структуре, а также от смещения структуры. Однако более глубокие выступы дают для структуры МВЗ меньшую величину отношения паразитной емкости к полной емкости. Для достижения самосовмещения более глубоких выступов 1710 при ионной имплантации биполярного эмиттера и затвора JFET на фиг.17 и 19 можно использовать эффект вытеснения эмиттера. Для достижения самосовмещения более глубоких выступов 1510 и 1810 на фиг.15 и 18 в МОП структурах можно использовать маскирование затворов. Следует отметить, что эффекты от выступов могут быть усилены или исключены двумя другими вышеупомянутыми способами.
Дополнительная (необязательная) локальная область 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое 104 МВЗ с проводимостью второго типа может быть получена, например, структурной глубокой ионной имплантацией. Если барьерный слой 105 с проводимостью первого типа выполняется методом эпитаксиального выращивания, то дополнительную локальную область 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое МВЗ можно также получить применением структурной ионной имплантации перед выращиванием эпитаксиального слоя. Увеличить уровень легирования, создающего проводимость второго типа в месте расположения дополнительной локальной области 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое МВЗ, можно путем применения структурной ионной имплантации примеси, создающей проводимость второго типа. Уменьшить уровень легирования, создающего проводимость второго типа вне места расположения дополнительной локальной области 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое МВЗ, можно путем применения структурной ионной имплантации примеси, создающей проводимость первого типа. Например, на фиг.15 дополнительная локальная область 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое МВЗ располагается непосредственно под затвором MOSFET. Однако ее можно слегка сместить в направлении истока.
Вместо формирования локальной области 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое МВЗ можно локально изменить уровень легирования барьерного слоя 105. Такое локальное изменение уровня легирования барьерного слоя 105 может быть получено, например, путем уменьшения уровня легирования барьерного слоя за счет имплантации в область 1504 примеси, создающей проводимость второго типа. Локальное изменение уровня легирования барьерного слоя 105 может также быть получено путем увеличения уровня легирования барьерного слоя за счет имплантации примеси, создающей проводимость первого типа, в зону, лежащую вне области 1504. В этом случае, в целях самосовмещения можно использовать маскирование затвора МОП структуры. Для изменения уровня легирования барьерного слоя можно также использовать имплантацию примеси пороговой коррекции.
Важно отметить, что может быть использовано любое сочетание трех вышеупомянутых способов. Наиболее перспективным из этих трех способов, пожалуй, является увеличение концентрации примеси в области 1504 слоя МВЗ.
Если антиблюминговый механизм действует, то какая-то часть избыточного сигнального заряда, возникающая по причине заполненности структуры МВЗ, будет добавляться к измеряемому току стока в структурах MOSFET или JFET, соответствующих фиг.15-18. Однако это составляет проблему только в том случае, если на изображении имеется очень яркая точка. Если производится измерение тока истока, то данное явление не должно создавать проблемы.
Принцип действия структуры МВЗ можно дополнительно проанализировать при помощи диаграмм распределения потенциалов для электронов, приведенных на фиг.27А, 27В и 27С. Все плоские участки диаграмм соответствуют нейтральным областям, а наклонные участки - обедненным областям. На фиг.27А представлена традиционная структура внутреннего затвора (ВЗ) транзистора JFET, в которой ВЗ образован в слое 2704. Слой 2706 представляет собой имплантированный затвор JFET, слой 2705 представляет канал JFET, слой 2703 - подложку, а 2702 - смещенный тыльный слой. Функция 2711 распределения потенциалов представляет ситуацию, когда в структуре ВЗ отсутствует какой-либо заряд, а функция 2712 - ситуацию, когда в ВЗ заряд присутствует. Заряд в структуре ВЗ расширяет JFET канал, т.е. плоский участок функции распределения потенциалов в слое 2705. В соответствии с фиг.17А, очевидно, что структура ВЗ не дает возможности биполярного функционирования, поскольку ток эмиттера из области 2706 пошел бы к ВЗ в область 2704.
Структура модифицированного внутреннего затвора (МВЗ), соответствующая JFET по фиг.16, представлена на фиг.27В. Функция 2713 распределения потенциалов для электронов представляет случай отсутствия заряда в слое 104 МВЗ, а функция 2714 - случай, когда в слое МВЗ заряд присутствует. Указанный заряд сужает канал JFET в слое 111. Структура МВЗ на фиг.27В несомненно дает возможность биполярного функционирования, поскольку ток эмиттера не потечет в структуру МВЗ. На фиг.27С представлена другая структура МВЗ, принцип действия которой аналогичен принципу работы структуры ВЗ. Когда в слой 104 МВЗ добавляется заряд, он изменяет функцию распределения потенциалов от 2715 на 2716, т.е. заряд в слое МВЗ расширяет канал JFET в слое 2705. Однако биполярное функционирование возможно.
Суммируя отличия фиг.27А, 27В и 27С, можно констатировать, что в структуре ВЗ по фиг.27А имеется один pn-переход, а между сигнальным зарядом и каналом полевого транзистора (FET) отсутствуют какие-либо полностью обедненные слои. При такой конфигурации функция распределения потенциалов для электронов представляет собой монотонную функцию между минимумом сигнального заряда в структуре внутреннего затвора и каналом FET. В структуре МВЗ по фиг.27В имеются два pn-перехода и один полностью обедненный слой между сигнальным зарядом и каналом FET или базой биполярного транзистора. Данная конфигурация дает возможность получить одну седловую точку и для вторичных и для сигнальных зарядов между минимумом сигнального заряда в структуре МВЗ и каналом FET или базой биполярного транзистора. Следует отметить, что если структура МВЗ спроектирована неудовлетворительным образом или если технологический процесс изготовления не оптимален, то в районе седловой точки может образоваться небольшая нейтральная область. Такая нейтральная область добавляет шум в измерения, и поэтому ее появления следует строго избегать. Однако указанная нейтральная область не изменит принцип действия прибора. Структура на фиг.27С содержит два слоя 506, 105, легированных примесями противоположного типа, т.е. больше слоев, чем структура с ВЗ на фиг.27А.
В структуре 27С имеются три pn-перехода и два обедненных слоя между сигнальным зарядом и каналом FET или базой биполярного транзистора. Данная конфигурация позволяет получить две седловые точки и для вторичных, и для сигнальных зарядов между минимумом сигнального заряда в структуре МВЗ и каналом FET или базой биполярного транзистора. Если бы к структуре, приведенной на фиг.27В, добавить два дополнительных слоя, легированных примесями противоположного типа, то можно было бы получить три седловые точки и для вторичных, и для сигнальных зарядов между минимумом сигнального заряда в структуре МВЗ и каналом FET или базой биполярного транзистора. Сигнальный заряд в структуре МВЗ данного устройства сужал бы канал FET или базу биполярного транзистора подобно случаю по фиг.27В. Несмотря на более сложную организацию и более высокое отношение паразитной емкости к полной емкости такая структура не добавила бы функциональности устройству по фиг.27В. Естественно, что можно добавить еще больше промежуточных слоев и переходов, но, как уже говорилось, никакой пользы от этого не будет.
Отличие в работе устройств, приведенных на фиг.27А и 27В, далее анализируется на фиг.28А и 28В, где предполагается, что уровни легирования ВЗ и МВЗ содержат флуктуации и что каналы транзисторов JFET закрыты. Функции 2811 и 2812 распределения потенциалов представляют случай, когда сигнальный заряд в структуре ВЗ отсутствует. Функция 2811 распределения потенциалов соответствует такому месту расположения, в котором содержится наибольшее количество атомов легирующей примеси ВЗ. С другой стороны, функция 2812 распределения потенциалов соответствует такому месту расположения, в котором содержится наименьшее количество атомов легирующей примеси ВЗ. Электроны, составляющие сигнальный заряд, в первую очередь начинают накапливаться в потенциальном минимуме функции 2811, в слое 2704 ВЗ. Это показано посредством функции 2813 распределения, которая соответствует расположению функции 2811 распределения потенциалов. Плоский, нейтральный участок функции 2813 в слое 2704 ВЗ вызван присутствием электронов сигнального заряда. На этом этапе нейтральная область еще не достигла потенциального минимума функции 2812 в слое 2704 ВЗ.
Можно видеть, что из всех функций 2811, 2812 и 2813 функция 2812 распределения потенциалов имеет самый высокий локальный максимум в слое 2705 канала JFET. Если канал JFET постепенно открывать, то вначале ток начнет протекать в том месте, которое соответствует функции 2812, т.е. в области, содержащей минимальное количество атомов легирующей примеси в слое ВЗ. Однако в этой области сигнальные заряды не оказывают влияния на ток, протекающий через JFET. Таким образом, канал JFET придется открывать еще сильнее, чтобы ток также протекал и в тех областях, где слой ВЗ занят сигнальными зарядами. Из всех функций 2811, 2812 и 2813 функция 2811 распределения потенциалов имеет самый низкий локальный максимум. Поэтому, если требуется обнаружение очень малых величин сигнального заряда, то придется открывать канал максимально широко. Другими словами, чем меньше сигнальный заряд, тем больший ток протекает через канал JFET. Очевидно, что малые количества сигнального заряда приводят к небольшим изменениям в большом токе, что делает обнаружение малых количеств сигнального заряда очень затруднительным. Это и является причиной того, что легирование ВЗ должно быть исключительно однородным. Упомянутая проблема относится также и к устройству, представленному на фиг.27С.
Функции 2814 и 2815 распределения потенциалов представляют случай, когда в структуре МВЗ отсутствуют дырки сигнального заряда. Функция 2814 распределения потенциалов соответствует такому месту расположения, в котором содержится наибольшее количество атомов легирующей примеси МВЗ, а функция 2815 - такому месту, в котором содержится наименьшее количество атомов легирующей примеси МВЗ. Функция 2814 имеет наибольшие локальные максимумы и в слое 104 МВЗ, и в канале 111 JFET. Дырки сигнального заряда сначала начинают собираться в локальном максимуме слоя МВЗ функции 2814, и в результате этого локальный максимум канала JFET опускается. Это представлено функцией 2816. Если канал JFET постепенно открывать, то начнет протекать небольшой ток в тех местах, где расположены сигнальные заряды. Таким образом, небольшие величины сигнального заряда, сосредоточенные в структуре МВЗ, способны вызывать большие изменения малого тока. Данный факт значительно облегчает обнаружение малых величин сигнального заряда.
Фиг.29А и 29В соответствуют транзисторам MOSFET со структурой ВЗ и МВЗ. Предполагается, что уровни легирования ВЗ и МВЗ содержат флуктуации и что каналы транзисторных структур MOSFET закрыты. Функции 2911 и 2914 распределения потенциалов соответствуют таким местам расположения, в которых содержится наибольшее количество атомов легирующей примеси в слое 2704 ВЗ или слое 104 МВЗ, а функции 2912 и 2915 - таким местам, в которых содержится наименьшее количество атомов легирующей примеси ВЗ или МВЗ. Функции 2913 и 2916 соответствуют функциям 2911 и 2914, содержащим сигнальные заряды в структуре ВЗ или МВЗ. Ситуация, приведенная на фиг.29А и 29В, напоминает ситуацию, представленную на фиг.28А и 28В. Изменение тока, вызванное определенной величиной сигнального заряда, в данных устройствах имеет аналогичный характер, но через MOSFET, в котором использована структура ВЗ, протекает значительно больший ток, чем через MOSFET со структурой МВЗ.
Из фиг.28В и 29В очевидно, что сигнальные заряды могут быть удержаны в ограниченных пределах только под какой-то частью затвора транзистора FET, например, за счет использования локальной области 1504 с увеличенной концентрацией легирующей примеси в слое МВЗ (Фиг.16, 20 и 24. Следует отметить, что можно также изменять и профиль легирования области 1504.). Такое построение снижает емкость структуры МВЗ, улучшая возможности обнаружения очень малых количеств сигнального заряда. Однако подобное невозможно в структурах ВЗ, где легирование ВЗ под затвором FET должно быть исключительно однородным. В силу этого факта возникают проблемы на краях затвора прямоугольного MOSFET. Под «краями затвора» следует понимать области, не расположенные непосредственно рядом с областями легирования истока или стока. Если область легирования ВЗ простирается за края затвора, минимум потенциальной энергии для сигнального заряда создается в слое ВЗ рядом с местом края затвора, где сигнальный заряд не влияет на ток, протекающий в канале MOSFET. Если затвор заходит за область легирования ВЗ, большая доля тока протекает через канал MOSFET в местах краев затвора. Таким образом, очевидно, что необходимо избегать нарушения совмещения, ибо одновременно могут возникнуть обе вышеупомянутые проблемы. В прямоугольных MOSFET требуется тщательное планирование расположения краев, чтобы воспрепятствовать протеканию поверхностных токов утечки в ВЗ. В прямоугольных транзисторах JFET, описанных в патенте США 5786609, затвор JFET и структура ВЗ соединены на краях затвора JFET, что означает, что возникающие на поверхности заряды будут смешиваться с сигнальным зарядом.
Вышеуказанные проблемы, касающиеся края затвора, естественно, не возникают в круглых транзисторах FET. Однако область затвора, а потому и область структуры ВЗ в круглых FET довольно большие, что увеличивает емкость структуры ВЗ. Область структуры ВЗ большого размера имеет склонность к флуктуациям уровня легирования ВЗ. Недостатком и прямоугольного, и круглого MOSFET также является то, что канал все время необходимо держать в открытом состоянии; в противном случае заряды, образовавшиеся на обедненной границе раздела полупроводника и изолятора затвора, будут смешиваться с сигнальным зарядом. Это, естественно, делает транспортирование сигнального заряда между различными структурами ВЗ в двухтранзисторных схемах более затруднительным. Преимущество структуры МВЗ по сравнению со структурой ВЗ также в том, что не требуется никакого контакта сброса.
На фиг.30, 31, 32 и 33 представлены некоторые примеры устройств, в основе которых лежит структура МВЗ. Устройство на фиг.30 содержит прямоугольный JFET, у которого имеется исток 3001 и сток 3002. Видно, что область легирования внутри пиксельного слоя 506 может также содержать выступ 3010. Устройство на фиг.31 содержит биполярный транзистор, у которого имеется база 3101 и эмиттер 3102. Устройство, содержащее MOSFET, представлено на фиг.32, и у него имеется исток 3201 и сток 3202. На фигуре также показан выступ 3210, связанный со структурой МОП. Устройство на фиг.33 представляет собой модифицированный JFET, в котором структура МОП работает в качестве затвора JFET. На фигуре показан выступ 3310, связанный с областью легирования, образующей исток 3301 и сток 3302 в JFET.
Сигнальный заряд из слоя МВЗ может быть считан, например, способом, при котором стоки (или истоки) усилителей объединяют в столбцы, а затворы объединяют в ряды. Нужный пиксель можно выбрать открыванием каналов JFET или MOSFET одного ряда соответствующим напряжением на затворе и подключением разности потенциалов соответствующей полярности между стоком и истоком в одном столбце стоков (или истоков). Затворы во всех остальных рядах оставляют закрытыми, а напряжения на всех остальных столбцах стоков (или истоков) оставляют равными напряжению истока (или стока). Сигнальный заряд в слое МВЗ затем можно определить по току стока (или истока) или по соответствующему напряжению на выходе. Данные этого измерения можно также сравнить с данными измерения структуры МВЗ, незаполненной зарядами. В случае двухтранзисторной схемы, представленной на фиг.22-24 (и трехтранзисторной схемы фиг.25), можно многократно производить обмен сигнальными зарядами между структурами МВЗ разных транзисторов и многократно выполнять сравнение результатов измерений пустой структуры МВЗ и структуры МВЗ с зарядом.
Считывание сигнала в структуре, приведенной на фиг.17, отличается от других структур с FET, поскольку нельзя изменять напряжения на затворах индивидуальных пикселей. Можно, например, соединить стоки в столбцы, а истоки в ряды. Истоки и стоки обычно держат под одним потенциалом. Считывание выполняют, например, подключая соответствующее напряжение к одному столбцу стоков и измеряя токи, протекающие через ряды истоков.
Биполярные транзисторы можно считывать способом, аналогичным структурам с FET, т.е. понижая обратное смещение эмиттерного pn-перехода в одном ряду эмиттеров и в одном столбце баз, так что включенным оказывается эмиттерный pn-переход только выбранного пикселя. Измерение сигнального заряда затем производят по току эмиттера или по соответствующему напряжению на выходе. Как говорилось ранее, можно также измерять ток базы, чтобы снизить шум. Вместо вышеупомянутых операций считывания можно также к каждому пикселю добавить транзисторы схемы выборки, но они занимают место и усложняют структуру. Еще один способ считывания сигнального заряда - это способ перевернутого кристалла с наклеиванием кристалла детектора на кристалл схемы считывания.
В детекторах частиц, рентгеновского излучения и гамма-излучения иногда необходимо определять точное время наступления, место и энергию нескольких одновременных событий. Однако этого не добиться, если использовать FET с плавающим истоком, содержащим структуру МВЗ. Причина этого в том, что увеличение количества сигнального заряда в структуре МВЗ приводит к еще большему запиранию канала FET. В FET с плавающим истоком и структурой ВЗ ситуация противоположная - увеличение сигнального заряда еще сильнее открывает канал FET, позволяя сформировать мгновенный импульс тока истока. Однако вместо FET с плавающим истоком можно использовать биполярный транзистор с плавающим эмиттером, содержащий структуру МВЗ. Такая схема требует, чтобы база под эмиттером была обедненной. Обедненная база образует для плавающего эмиттера барьер. Увеличение сигнального заряда будет понижать указанный барьер, позволяя сформировать мгновенный импульс тока эмиттера.
Биполярный транзистор с плавающим эмиттером, содержащий структуру МВЗ, представлен на фиг.34. Для стирания сигнального заряда можно использовать дополнительные легированные области 3401 и 3402 с проводимостью второго типа. Повторное заполнение плавающих эмиттеров можно производить путем кратковременного снижения обратного смещения между базой и каналоограничивающими областями. Другая возможность заключается в подключении плавающего эмиттера к стоку FET. Во время заполнения эмиттера производят кратковременное открывание затвора FET. В ином случае сток оставляют плавающим. Следует отметить, что размер эмиттера 1902 может быть больше, чем локальная область 1504 МВЗ с увеличенной концентрацией легирующей примеси.
Плавающий эмиттер можно покрыть изолирующим слоем, поверх которого нанести проводящий слой 3403. Проводящий слой может быть подключен к кристаллу схемы считывания. Можно также подсоединить плавающий эмиттер к проводящей обкладке, которая изолирована от окружающих элементов каким-либо изолирующим материалом. Указанную проводящую обкладку с плавающим потенциалом можно покрыть другой проводящей обкладкой, которая подключена, например, к кристаллу схемы считывания. Последнюю проводящую обкладку можно также поделить на три различных сектора, которые изолированы друг от друга. Данные сектора могут быть далее подключены к другим секторам других пикселей, образующих строку. При таком способе каждый усилитель подключен к трем различным строкам, которые электрически изолированы друг от друга и следуют в трех различных направлениях. Обнаружение событий можно затем осуществлять путем наблюдения сигналов, поступающих от трех множеств, состоящих из строк, которые идут в трех различных направлениях.
FET с плавающим истоком, содержащий структуру МВЗ, можно реализовать, например, покрывая исток изолирующим слоем. Изолирующий слой затем покрывают проводящим слоем, формируя обкладку конденсатора. Обкладку конденсатора можно подключить к затвору FET, а можно и не подключать к нему. Стоки транзисторов FET, например, подключают к столбцам, а обкладки конденсаторов к рядам. Обкладки конденсаторов можно также подключить к кристаллу схем считывания. Полевые транзисторы с плавающим истоком, содержащие структуру МВЗ, могут представлять собой MOSFET или JFET прямоугольной или круглой структуры. Полевые транзисторы с плавающим истоком, содержащие структуру ВЗ, могут представлять собой только круглые JFET. Полевой транзистор с плавающим истоком, содержащий структуру МВЗ, имеет одно преимущество по сравнению со стандартным полевым транзистором, содержащим структуру ВЗ. Это преимущество заключается в том, что время начала и конца периода накопления сигнального заряда может быть в точности одинаковым для всех пикселей. Этого можно добиться, например, следующим способом.
Сигнальный заряд стирают из слоя МВЗ приложением потенциала Vс стирания к стоку FET. Затем сток FET подключают к потенциалу Vp пикселя, в силу чего начинается период накопления сигнального заряда. Важным является то, что в начале периода накопления канал FET закрыт. Процесс накопления сигнального заряда в слое МВЗ еще сильнее закрывает канал FET. Накопление прекращают приложением соответствующего импульса напряжения к стокам всех FET одновременно. Такой импульс напряжения заполняет плавающие истоки FET носителями до уровня, соответствующего величине сигнального заряда в структуре МВЗ, которая существовала точно в момент появления импульса. Сигнальный заряд считывают, прикладывая надлежащий потенциал к одной линии стоков и интегрируя импульсы тока в линии обкладок конденсаторов. Чем меньше этот заряд, тем больше был сигнальный заряд в структуре МВЗ в конце периода накопления. После того как все стоки будут подключены к вышеупомянутому надлежащему потенциалу, эти стоки подключают к потенциалу Vc.
Следует отметить, что плавающий исток мог бы быть также подключен и к плавающему стоку дополнительного FET. Накопление тогда можно было бы начинать и прекращать, открывая затвор этого дополнительного FET. Следует заметить, что все конденсаторы, о которых ранее шла речь, могут быть любой формы. Например, можно было бы использовать многослойные конденсаторы типа этажерки.
Чтобы уменьшить отношение паразитной емкости к полной емкости, слои, наносимые поверх объемного слоя, следует выполнять по возможности более тонкими, т.е. настолько тонкими, насколько это позволяют допуски технологического процесса. Однако величины напряженности электрического поля внутри устройства должны быть ниже уровня лавинного пробоя. Если размножение сигнального заряда нежелательно, то величины напряженности электрического поля должны быть ниже порога возникновения лавинного разряда.
Следует отметить, что настоящее изобретение не требует обязательным образом, чтобы каждый пиксель был снабжен транзистором. Можно просто к каждому пикселю подвести электрический контакт и работать с детектором в режиме прибора с переносом заряда (ПП3), при котором поочередное подключение пикселей к определенным напряжениям переноса заряда будет заставлять сигнальный заряд мигрировать в направлении конца каждого ряда или столбца пикселей, где предусмотрен специальный пиксель считывания для поочередного синхронного измерения зарядов от каждого пикселя, переданных вдоль данного ряда. Однако в режиме ПП3 детектор в гораздо большей степени склонен давать нежелательные эффекты размазывания изображения, чем в режиме активно-пиксельного датчика (АПД), при котором каждый индивидуальный пиксель можно считывать отдельно. Дополнительное преимущество использования настоящего изобретения в режиме АПД заключается в возможности сосредоточения быстрых последовательных операций считывания только на какой-то произвольно выбранной части активной зоны, где было замечено какое-то интересное явление, и возможного сочетания такого режима с «обновлением» данных считывания всей матрицы через какие-то регулярные, но более продолжительные интервалы.
СТРУКТУРЫ ПИКСЕЛЕЙ И ПРОЧИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
На фиг.35А и 35В представлены различные структуры пикселей детектора, соответствующие конструкции, приведенной на фиг.1. На фиг.35А показана очень простая структура детектора с плавающей каналоограничивающей областью. В структуре детектора по фиг.35В легированная каналоограничивающая область 115 плавающего или смещенного типа добавлена к структуре по фиг.35А. Структура по фиг.35С соответствует устройству по фиг.5. Каналоограничивающие легированные области, показанные на фиг.35В, могут иметь разрывы, как в случае структуры детектора фиг.35D, которую можно использовать в качестве ПП3. Сигнальный заряд в слое МВЗ можно транспортировать, используя, например, трехфазную систему потенциалов, прикладываемых к областям легирования различных пикселей. Чтобы облегчить транспортирование сигнальных зарядов, можно также между областями легирования пикселей использовать МОП структуры таким же образом, как это сделано на фиг.22. Структура на фиг.35Е основана на структуре по фиг.35С и может также быть использована в качестве ППЗ. Как уже ранее упоминалось, между областями легирования пикселей и каналоограничивающими областями на фиг.35А, 35В, 35С, 35D и 35Е могут быть дополнительно организованы плавающие или смещенные охранные структуры. В качестве таких охранных структур могут выступать легированные области и/или МОП структуры. Используя такие охранные структуры, можно на основе структуры МВЗ построить измеритель дрейфа. Для задания направления заряду сигнала дрейфа можно использовать выступы, увеличение концентрации легирующей примеси в слое МВЗ и изменение структуры барьерного слоя. Величину смещения областей легирования пикселей и дополнительных (необязательных) МОП структур между областями легирования пикселей можно изменять с целью создания локальных минимумов потенциальной энергии в слое МВЗ, а также с целью удаления таких локальных минимумов потенциальной энергии таким же образом, как это делается в детекторе с контролируемым дрейфом (ДКД). Число пикселей и форма пикселей не ограниченны. Для создания детектора типа линейки можно также использовать удлиненные пиксели. Состоящую из пикселей активную зону, подобную показанным на фиг.35А, 35В, 35С, 35D и 35Е, можно окружать плавающими или смещенными охранными структурами с проводимостью первого или второго типа, причем указанные области могут содержать электронные схемы считывания и выборки.
Важно отметить, что во многих полупроводниковых материалах вместо легирования предпочтительны контакты Шоттки или омические контакты. Можно, например, заменить области 111 легирования пикселей, легированные каналоограничивающие области 115 и 515, тыльный слой 102 и, например, контакты истока, стока, затвора и эмиттера соответствующими подходящими металлами. С другой стороны, для контактов, выполняемых, например, для соединения с легированными областями 111, 506, 115 и 515, может потребоваться высокодозированная ионная имплантация контакта. Можно также фронтальную сторону устройства прикрепить к несущей подложке и утонить тыльную сторону устройства, чтобы получить желаемую его толщину. Объемный слой тонкого устройства можно подвергнуть легированию с более высокой концентрацией примеси, нежели объемный слой устройства большой толщины. Смещение объемного слоя можно также осуществить, используя контакт, сформированный на краю подложки.
ОБЛАСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Полупроводниковый детектор излучения, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, с наибольшей выгодой может быть использован для регистрации УФ-излучения, видимого света, ИК-излучения ближней и дальней области спектра и/или мягкого рентгеновского излучения. Область применения может быть значительно расширена в сторону высокоэнергетического рентгеновского излучения с энергией кванта более 10кэВ, если тыльную поверхность детектора покрыть сцинтилляционным материалом. В этом случае детектор не будет измерять падающее рентгеновское излучение как таковое, а будет регистрировать кванты сцинтилляции, которые возникают, когда рентгеновские лучи попадают в материал сцинтиллятора.
Уменьшенные уровни токов утечки, которые могут быть достигнуты благодаря настоящему изобретению, позволяют изготовлять детектор из других полупроводниковых материалов, нежели кремний - материалов, которые, ранее считалось, имеют недопустимо высокие значения токов утечки. К таким другим материалам относятся германий, арсенид галлия, теллурид кадмия (и другие).
Устройство, которое содержит детектор, соответствующий варианту осуществления настоящего изобретения, может также включать в себя другие полупроводниковые кристаллы, некоторые из которых могут иметь сварные соединения с пикселями детектора. Это дает возможность построения очень компактных конструкций, которые включают в себя устройства регистрации, усиления, считывания и, в некоторых случаях, даже хранения и занимают очень мало места, наподобие многокристального модуля.
Неразрушающий способ считывания величины накопленного сигнального заряда путем наблюдения за его влиянием на электрическое поведение полевого транзистора позволяет выполнять многократное считывание одного и того же заряда, прежде чем производить его стирание. Другими словами, можно осуществлять по существу непрерывный контроль накопления зарядов в различных пикселях.