Устройство для усиления сигнала от ячейки матричного фотоприёмника
DEVICE FOR AMPLIFYING SIGNAL FROM MATRIX PHOTODETECTOR CELL

Изобретение относится к области полупроводниковой, органической и гибридной оптоэлектроники и может быть использовано в системах обработки оптической информации.
Известно устройство считывания и накопления сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (описание к патенту РФ №2498456 на изобретение, МПК: H01L 27/14), заключающееся в том, что ячейка считывания выполнена в составе интегрирующего усилителя, ячейки выборки и хранения, компаратора, триггера-защелки, логического элемента «И». Аналоговые элементы - интегрирующий усилитель, ячейка выборки и хранения, компаратор последовательно соединены в указанном порядке относительно одного из входов каждого аналоговыми шинами. Интегрирующий усилитель соединен с фотоприемником.
К недостаткам этого устройства относится то, что устройство считывания и накопления сигналов изготавливается на непрозрачной в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне кремниевой подложке, затем осуществляется гибридная сборка фоточувствительной матрицы и устройства считывания и накопления сигнала (мультиплексора), т.е., устройство выполнено не монолитным, и, кроме того, конструкция устройства такова, что в качестве светочувствительного элемента не могут использоваться органические фоточувствительные слои.
Известно устройство усиления сигналов от фотоприемника (описание к патенту США №7935917 В2 на изобретение, МПК: Н01L 27/14 и G05D 25/02), заключающееся в том, что в состав фотодетектирующего устройства входит модуль, усиливающий сигнал, имеющий электрический контакт с фоточувствительным транзистором. Модуль способен отсекать темновой (фоновый) ток и усиливать сигнальный ток. Второй модуль, усиливающий сигнал, имеет электрический контакт с первым модулем и способен детектировать постоянную составляющую сигнального тока.
К недостаткам этого устройства относится то, что фоточувствительное устройство является фототранзистором, а не фотодиодом или фотосопротивлением, оно сложнее в исполнении, что не позволяет использовать в качестве светочувствительного элемента органические фоточувствительные слои.
В качестве ближайшего аналога взято устройство усиления сигналов фотоприемника (описание к патенту РФ №2296303 на изобретение, МПК: G01J 1/44)), заключающееся в том, что фотоприемное устройство включает фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода, а второй - с сопротивлением нагрузки и входом предварительного усилителя.
Недостатком данного устройства является то, что отсутствует возможность усиливать сигналы с ячеек органических фотоприемников, выполненных в линейчатом или матричном исполнении. Причиной этого является не монолитность исполнения схемы усиления и фоточувствительных ячеек на прозрачной в детектируемом диапазоне подложке.
Техническим результатом изобретения является реализация возможности монолитного изготовления линеек и матриц органических фотоприемников в варианте с активным усилением малого заряда и тока фотопроводимости, что позволит усилить сигнал от ячейки фотоприемника, а также избежать гибридной сборки.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для усиления сигнала от ячейки матричного фотоприемника фоточувствительная ячейка и усилитель, выполненный как тонкопленочный полевой транзистор, изготовлены монолитно на одной подложке прозрачной в диапазоне детектируемого излучения, а именно на подложку прозрачную в диапазоне детектируемого излучения последовательно нанесены буферный диэлектрический слой, который одновременно представляет собой просветляющее покрытие в требуемом диапазоне чувствительности, на буферный диэлектрический слой последовательно нанесены прозрачный электрод, фоточувствительный органический слой и туннельно-тонкий электрод, блокирующий неосновные носители заряда, кроме того, параллельно вышеописанным слоям на буферном диэлектрическом слое, который одновременно представляет собой просветляющее покрытие в требуемом диапазоне чувствительности последовательно выполнены канал тонкопленочного полевого транзистора с подзатворным диэлектриком, а на поверхности туннельно-тонкого электрода, блокирующего неосновные носители заряда и подзатворного диэлектрика, выполнен электрод затвора, на котором расположен пассивирующий защитный диэлектрик.
Фоточувствительный органический слой выполнен из органических материалов на основе полиметиновых красителей.
Подложка выполнена стеклянной или пластиковой.
Предлагаемое устройство для усиления сигнала от ячейки матричного фотоприемника за счет выполнения фоточувствительной ячейки и усилителя как тонкопленочного полевого транзистора монолитно на общей подложке прозрачной в диапазоне детектируемого излучения и выполнения в фоточувствительной ячейке фоточувствительного органического слоя обеспечивает возможность получения заявленного технического результата, а именно: реализация возможности монолитного изготовления линеек и матриц органических фотоприемников в варианте с усилением малого заряда и тока фотопроводимости, что позволит усилить сигнал от ячейки фотоприемника, а также избежать гибридной сборки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
Фиг. 1 приведена структура фоточувствительной ячейки (ФЧЯ) с усилением.
Фиг. 2 приведена схема соединения ФЧЯ с усилением в линейку.
Фиг. 3 приведена схема активной линейки ФЧЯ, работающей в фотовольтаическом режиме.
Фиг. 4 приведена схема активной линейки ФЧЯ, работающей в фотодиодном режиме.
Фиг. 1 приведена структура фоточувствительной ячейки (ФЧЯ) с усилением, где 1 - подложка, которая выполнена стеклянной или пластиковой прозрачной в детектируемом диапазоне; 2 - буферный диэлектрический слой, который является просветляющим покрытием; 3 - прозрачный электрод; 4 - фоточувствительный органический слой; 5 - туннельно-тонкий электрод, блокирующий неосновные носители заряда; 6 - канал тонкопленочного полевого транзистора (ТПТ); 7 - подзатворный диэлектрик; 8 - электрод затвора; 9 - пассивирующий защитный диэлектрик.
Толщина подложки 1 определяется ее механической прочностью и составляет от 50 мкм до 5 мм. Толщина буферного слоя 2, который является просветляющим покрытием, определяется длиной волны регистрируемого светового сигнала и коэффициентом преломления материала, из которого он изготовлен, и составляет от 50 до 300 нм. Толщина прозрачного электрода 3 определяется оптимальным соотношением между поверхностным сопротивлением и коэффициентом пропускания и составляет от 50 до 300 нм. Толщина фоточувствительного органического слоя 4 определяется коэффициентом поглощения материала, из которого он сделан, а также длиной диффузии фотоиндуцированных зарядов и составляет от 10 до 1000 нм. Толщина туннельно-тонкого электрода, блокирующего неосновные носители заряда, 5 определяется шириной запрещенной зоны материала, из которого он сделан, и составляет от 1 до 30 нм. Толщина канала тонкопленочного полевого транзистора 6 определяется требуемой величиной тока в закрытом состоянии и составляет от 50 до 500 нм. Толщина подзатворного диэлектрика 7 определяется величиной рабочего напряжения и составляет от 20 до 500 нм. Толщина электрода затвора 8 определяется требуемой величиной сопротивления шин и составляет от 50 до 300 нм. Толщина пассивирующего защитного диэлектрика определяется материалом, из которого он сделан, и составляет от 50 до 200 нм.
Латеральные размеры ячейки определяются материалом фоточувствительного слоя и требуемым разрешением матрицы и составляют от 5 до 1000 мкм.
Устройство для усиления сигнала от ячейки матричного фотоприемника организовано следующим образом (фиг. 1).
Подложка 1 выполнена стеклянной или пластиковой и является прозрачной в диапазоне детектируемого излучения, на нее нанесен буферный диэлектрический слой 2, который одновременно представляет собой просветляющее покрытие в требуемом диапазоне чувствительности. На буферный диэлектрический слой 2 последовательно нанесены прозрачный электрод 3, фоточувствительный органический слой 4 и туннельно-тонкий электрод, блокирующий неосновные носители заряда 5. На буферном диэлектрическом слое 2, который одновременно представляет собой просветляющее покрытие в требуемом диапазоне чувствительности, последовательно выполнены: канал тонкопленочного полевого транзистора 6 и подзатворный диэлектрик 7. На поверхности туннельно-тонкого электрода, блокирующего неосновные носители заряда - 5 и подзатворного диэлектрика – 7, последовательно выполнены электрод затвора 8 и пассивирующий защитный диэлектрик 9.
Прозрачный электрод 3, фоточувствительный органический слой 4 и туннельно-тонкий электрод, блокирующий неосновные носители заряда 5, представляют собой рабочие слои органического фотодиода.
На фиг. 2 представлена схема соединения ФЧЯ с усилителем в линейку, где 10 - фоточувствительная ячейка (ФЧЯ), 11 - затвор тонкопленочного полевого транзистора (ТПТ), 12 - сток (ТПТ), 13 - исток (ТПТ).
На фиг. 2 показана схема соединения отдельных ФЧЯ с усиливающим ТПТ в активную (усиливающею) линейку. Ток сток-исток (12-13 фиг. 2) каждого ТПТ элемента линейки создает на нагрузочных сопротивлениях (не показаны на фиг. 2) сигналы напряжения, которые считываются коммутирующим устройством, монолитно собранным на подложке, либо внешним коммутирующим устройством. Предложенные структура и схема соединения позволяют создать матрицу отдельных ФЧЯ 10 с усиливающим ТПТ.
Возможно два подхода для реализации устройства усиления сигналов от ФЧЯ 10. В первом на затвор 11 ТПТ подается дополнительное рабочее напряжение, такое, что крутизна ТПТ (отношение изменения тока исток-сток к изменению напряжения затвор-исток - S) в данной рабочей точке максимальна. Во втором параметры ТПТ подбираются такие, что его крутизна S максимальна при рабочем напряжении затвор-исток вблизи нуля, при этом нет необходимости прикладывать дополнительное рабочее напряжение на затвор 11 ТПТ.
Предлагаемое устройство может быть решено в двух вариантах - n-канального и p-канального ТПТ.
Рассмотрим работу устройства для усиления сигнала от ячейки на матричном фотоприемнике.
set
Предложены две возможные схемы реализации линеек органических фотоприемников в варианте с активным усилением малого заряда (фиг. 3) и тока фотопроводимости (фиг. 4). На схемах показаны три первых фоточувствительных ячейки 10 линейки с усилителями на тонкопленочных полевых транзисторах (N-канальные МОП-транзисторы, N-MOS). Четвертый транзистор, или транзистор с номером K+1 для линейки из K активных ячеек - транзистор рабочей точки (ТРТ). ТРТ совместно с операционным усилителем (ОУ) служит для создания начального напряжения смещения для K усилительных транзисторов линейки (УТЛ). Данное смещение вырабатывается ТРТ. Величина начального тока ТРТ задается резистором R в цепи истока ТРТ. Смещение, соответствующее заданному току, передается через ОУ на объединенные истоки УТЛ. Таким образом, все УТЛ переводятся в активный режим со средними начальными токами, соответствующими установленному для ТРТ. Разброс характеристик УТЛ должен быть учтен при выборе тока ТРТ.
Схема, предложенная на фиг. 3, работает в фотовольтаическом режиме. Прозрачный контактный слой линейки фотоприемников заземлен, и положительные заряды генерируются в нижнем контактном слое каждого пикселя, которые напрямую подключены к затворам соответствующих УТЛ. Сама органическая фоточувствительная ячейка (ОФЧЯ) представляет собой заряженный конденсатор с паразитной утечкой (показано пунктиром на схеме). Эта утечка позволяет в отсутствии засветки обнулять прежний потенциал ячейки и восстанавливать ее исходное «темновое» состояние. При экспозиции на элементе ячейки интегрируется заряд, и напряжение затвора УТЛ возрастает. Рост выходного тока УТЛ начинается с единиц мВ, поскольку транзистор принудительно смещен и начальный ток выставлен схемой ТРТ+ОУ. Генерируемое напряжение ОФЧЯ растет нелинейно, имеет логарифмическую зависимость и достигает насыщения при величинах 0,5…0,7 В. В свою очередь, зависимость тока стока от напряжения на затворе для МДП-транзисторов имеет экспоненциальный вид. Такое соотношение позволяет ожидать получения относительно линейной зависимости выходного сигнала от интегральной экспозиции в диапазоне 300…500 отн. ед. (50…55 дБ).
Схема, предложенная на фиг. 4, работает в режиме фототока. Прозрачный контактный слой линейки ОФЧЯ также заземлен, на нижний слой ОФЧЯ подается отрицательное смещение через нагрузочные резисторы Rн. УТЛ также работают в начале участка активного усиления. В этом режиме возникший фототок преобразуется во входное управляющее напряжение УТЛ. Далее оно усиливается и выделяется на резисторе стока. В этой схеме следует ожидать заметной нелинейной зависимости выходного сигнала от фототока, а именно лавинного нарастания выходного тока при больших экспозициях и подавления начального участка слабых экспозиций. Ситуация может быть исправлена включением параллельно Rн диода в прямой полярности для ограничения лавины. Резисторы Rн, как и диоды, должны быть выполнены интегрально.
На фиг. 3 и 4 обозначены точки включения In переходных контактов в случае использования технологии механического сопряжения интегральной пластины активных элементов с прозрачной подложкой ОФЧЯ. Сигнал считывается с резисторов в стоках УТЛ параллельно при подключении к многоканальному аналого-цифровому преобразователю (АЦП) или последовательно при мультиплексировании входа одноканального быстрого АЦП. При построении линеек с числом пикселей более 64 полезно применять гибридный вариант, когда внутри группы пикселей по 32-64 элемента сигнал считывается последовательно синхронными мультиплексорами, выходы которых сопряжены с многоканальным (32-64 входа) АЦП. Так можно обеспечить оперативный опрос линейки из 1024-4096 пикселей.
set
set
Коэффициент усиления по напряжению можно оценить как SR (в случае если сопротивление нагрузки R сравнимо с сопротивлением ТПТ в закрытом состоянии). По оценкам, если в качестве материала канала ТПТ использовать аморфный кремний a-Si:H, коэффициент усиления по напряжению может достигать одного порядка (в режиме близком к линейному), а в случае ТПТ на основе поликристаллического кремния коэффициент усиления по напряжению может достигать значений 20-30. Приведенные значения получены для случая использования органического фотодиода с насыщением фото-ЭДС порядка 0.5-0.7 В.
Достижение технического результата подтверждается нижеследующими вариантами реализации предлагаемого изобретения.
Вариант 1.
При реализации устройства усиления фотосигнала в качестве фоточувствительной ячейки используют органический фотодиод, а в качестве материала для изготовления ТПТ используют аморфный кремний.
Вариант 2.
При реализации устройства усиления фотосигнала в качестве фоточувствительной ячейки используют органическое фотосопротивление, а в качестве материала для изготовления ТПТ используют аморфный кремний.
Вариант 3.
При реализации устройства усиления фотосигнала в качестве фоточувствительной ячейки используют органический фотодиод, а в качестве материала для изготовления ТПТ используют поликристаллический или монокристаллический кремний.
Вариант 4.
При реализации устройства усиления фотосигнала в качестве фоточувствительной ячейки используют органическое фотосопротивление, а в качестве материала для изготовления ТПТ используют поликристаллический или монокристаллический кремний.